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Mit dem Mond auf Teilchenfang

Der Erdtrabant eignet sich als Detektor für extrem energiereiche Partikel aus dem Weltall. Tausende Radioantennen auf der Erde sollen die lunaren Einschläge messen.

Im Fokus der Forscher: Via Mond wollen sie mittels Radioteleskopen die Askaryan-Strahlung nachweisen. Foto: Nasa, Keystone
Im Fokus der Forscher: Via Mond wollen sie mittels Radioteleskopen die Askaryan-Strahlung nachweisen. Foto: Nasa, Keystone

Die Idee mutet bizarr an: Astronomen wollen den Mond als Detektor benutzen, um extrem energiereiche Teilchen der kosmischen Strahlung zu finden. Die ins Visier genommenen Partikel sind für die Forscher ein Mysterium. Es handelt sich überwiegend um Protonen – elektrisch positiv geladene Elementarteilchen, aus denen Atomkerne aufgebaut sind. Die Energien dieser kosmischen Protonen übertreffen jedoch alles, was die Forscher im subatomaren Bereich kennen. Noch immer weiss niemand, woher die Partikel ihre Energien haben, wie sie entstanden sind und woher aus dem Weltraum sie kommen.

Die kosmische Strahlung stammt überwiegend von der Sonne, von explodierenden Sternen und magnetischen Neutronensternen. Doch die energiereichsten Partikel dieser Strahlung geben den Forschern Rätsel auf. In unserer Milchstrasse gibt es kein bekanntes ­Objekt, das solche Teilchen erzeugen könnte. Sie könnten deshalb aus der Umgebung supermassiver schwarzer Löcher in fernen Galaxien stammen.

Doch auch diese Erklärung stösst oberhalb ­einer Energie von acht Joule ins Leere: Denn aus der Tiefe des extragalaktischen Weltraums können sie nicht zu uns gelangt sein, weil sie gemäss den ­Berechnungen der Wissenschaftler auf dem Weg durch das Universum abgebremst werden. Antworten auf die Herkunftsfrage könnten deshalb neue Erkenntnisse in der Grundlagenforschung über supermassive Schwarze Löcher in den Herzen ferner Galaxien liefern. Oder sie könnten gar zur Entdeckung bislang unbekannter physikalischer Phänomene in den Weiten des Kosmos führen.

Wie ein Aufschlag von Federer

Wissenschaftler untersuchen die kosmische Strahlung seit langem mit gewaltigen Detektoranlagen auf der Erde. Es handelt sich dabei nicht um elektromag­netische Strahlung, sondern um elektrisch geladene Teilchen die mit hoher Geschwindigkeit in die irdische Lufthülle eindringen. In jeder Sekunde prasseln etwa eintausend Teilchen aus dem Weltall auf jeden Quadratmeter der Erdatmosphäre.

Doch ausgerechnet die hochenergetischen Exemplare sind extrem rar: Pro Jahrhundert trifft nur ein einziges Teilchen mit einer Energie von über acht Joule auf einen Quadratkilometer der Erdoberfläche. Selbst Kosmische Teilchen mit Energien von bis zu 50 Joule haben die Forscher bereits registriert. Das entspricht der Wucht eines typischen zweiten Aufschlags von Roger Federer: Die Energie eines Tennisballs mit einer Geschwindigkeit von 150 Kilometern pro Stunde. Eine scheinbar überschaubare Zahl. Doch wenn sie sich auf ein winzig kleines Proton konzentriert, ist sie unvorstellbar gross.

Um dem Ursprung dieser hochenergetischen Teilchen auf die Spur zu kommen, müssen die Forscher möglichst viele von ihnen erfassen. Doch bei der geringen Anzahl ist das selbst mit den grössten irdischen Detektoren ein aussichtsloses Unterfangen. Nun wollen die Forscher den Mond zu Hilfe nehmen: In Kombination mit einer gigantischen Radioteleskopanlage auf der Erde könnte er jeden irdischen Detektor um Grössenordnungen übertreffen.

Kurzer, gebündelter Radioimpuls

Die Idee ist nicht neu: Bereits im Jahr 1962 schlug der russisch-armenische Physiker Gurgen Askaryan vor, mit Antennen auf dem Mond nach besonders energiereichen Teilchen der kosmischen Strahlung zu fahnden. Der Forscher war bei seiner theoretischen Arbeit auf ein neuartiges Phänomen gestossen: Dringt ein Teilchen aus dem Weltraum in dichtes, elektrisch nicht leitendes Material ein – zum Beispiel in das feine Geröll auf der Mondoberfläche –, löst es einen kurzen, gebündelten Radioimpuls aus. Denn die hohe Energie des eindringenden Partikels erzeugt zunächst einmal Paare aus Elektronen und Positronen, die weiterhin mit hoher Geschwindigkeit durch die Materie rasen.

Positronen sind die elektrisch positiv ­geladenen Antiteilchen der Elektronen: Stösst ein Positron auf ein Elektron eines Atoms der umgebenden Materie, so vernichten sich die beiden Partikel in einem Energieblitz. Übrig bleiben die rasenden Elektronen, also eine sich schnell durch das Material bewegende negative Ladung. Und diese Bewegung schliesslich führt zur Aussendung des Radioimpulses, der sogenannten Askaryan-Strahlung.

Mit vielen Antennen auf dem Mond könnte man diese Pulse aufspüren, so Askaryans Überlegung, und hätte damit die gesamte Oberfläche des Erdtrabanten – ungefähr 38 Millionen Quadratkilometer – als Detektorfläche für extrem energiereiche Teilchen zu Verfügung. Doch der Bau solcher Antennenanlagen auf dem Mond ist bis heute aus technischen und finanziellen Gründen völlig illusorisch, und so geriet die Idee wieder in Vergessenheit.

Erst Ende der 80er-Jahre tauchte sie in wissenschaftlichen Veröffentlichungen wieder auf: Die Astronomen erkannten, dass sich die Pulse auch mit Radioteleskopen auf der Erde nachweisen lassen sollten. Viele Radio-Observatorien haben seither versucht, die Askaryan-Strahlung vom Mond nachzuweisen – bislang ohne Erfolg. Nun könnte sich die Situation allerdings grundlegend ändern. Denn 2018 beginnt der Bau des «Square Kilometre Array» (SKA), einer Anlage bestehend aus mehreren Tausend Radioantennen in Afrika und Australien mit einer Gesamt-Sammelfläche von – daher der Name – einem Quadratkilometer.

Hoffnung auf schnellen Erfolg

Auf einer Fachtagung über das Teleskopvorhaben, an dem sich zehn Nationen beteiligen, präsentierte der britische Astrophysiker Justin Bray unlängst ein internationales Projekt zum Nachweis der lunaren Askaryan-Strahlung mit dem SKA. «Schon in der ersten, 2020 beginnenden Betriebsphase hoffen wir auf eintausend Stunden Beobachtungszeit», erläutert Bray. «Wenn wir in dieser Zeit nur ein einziges Teilchen nachweisen, ist das der Beweis, dass die Methode funktioniert.» Der Forscher hofft sogar auf einen grösseren Erfolg: den Nachweis gleich mehrerer extrem energiereicher Partikel in Folge, die aus der gleichen Richtung kommen. Das nämlich könnte den Astronomen einen ersten Hinweis darauf geben, woher die rätselhaften Teilchen stammen.

Mit allen Detektoranlagen auf der Erde zusammen registrieren die Wissenschaftler inzwischen pro Jahr rund 15 kosmische Teilchen mit extrem hohen Energien. Wenn das SKA 2027 vollkommen fertiggestellt ist, könnte es mithilfe des Mondes die zehnfache Menge an extrem energiereichen Teilchen registrieren, schätzt Bray: «Damit haben wir eine hervorragende Chance, ihrem Ursprung auf die Spur zu kommen.»

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