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Searching for The Origin of Cosmic Rays and Neutrinos with LOFAR

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Mit Radioblitzen dem geheimnisvollen Ursprung der kosmischen Strahlung auf die Spur kommen

Eine neuartige Technik zur Beobachtung der kosmischen Strahlung mit Radioteleskopen kann Aufschluss darüber geben, wo im Universum diese starken Teilchen herkommen und wodurch sie erzeugt werden.

Weltraum

Die Quelle der kosmischen Strahlung – geladene Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen – ist eines der ewigen Rätsel der Astronomie. Während Licht die Forschenden der Astronomie mehr oder weniger in einer geraden Linie von seiner Quelle aus erreicht, wird die kosmische Strahlung durch Magnetfelder abgelenkt, was ihren Ursprung verschleiert. Das EU-finanzierte Projekt LOFAR wandte nun erstmals eine neuartige Radioteleskopmethode an, um die kosmische Strahlung zu beobachten und mehr über sie in Erfahrung zu bringen. Denn nicht alle kosmischen Strahlen werden auf die gleiche Weise erzeugt. Hinzu kommt, dass sie je nach ihrer Masse und Geschwindigkeit über ein breites Spektrum von Energien verfügen können. So können beispielsweise Teilchen mit einer niedrigeren Energie von 10^15 eV von den Überresten von Supernovae im Kern der Milchstraße ausgehen, wo die Teilchen auf den Rändern explodierender Sterne „surfen“ und allmählich an Geschwindigkeit gewinnen. In unserer Galaxie gibt es jedoch keinen bekannten Mechanismus, der Teilchen auf diese sehr hohen Energien beschleunigen kann, die manchmal beobachtet werden, was auf einen extragalaktischen Ursprung hindeutet. „Extrem starke Überreste von Supernovae können möglicherweise Energien erzeugen, die 100 Mal über 10^15 eV liegen, aber darüber hinaus ist es theoretisch schwierig, Quellen zu finden, die solche Energien hervorrufen können“, erläutert Projektkoordinator Stijn Buitink.

Ankunft aus dem All

Die Ermittlung des genauen Energieniveaus, auf dem die kosmische Strahlung von extragalaktischen Quellen dominiert wird, wird der Astronomie helfen, die wahrscheinlichen Bedingungen zu rekonstruieren, unter denen sie entsteht. Dazu müssen viele Messungen durchgeführt werden, aber es hat auch niemand behauptet, dass die Beobachtung der kosmischen Strahlung einfach wäre. Denn diese trifft mit einer Geschwindigkeit von einem Teilchen mit einer kinetischen Energie von 10^15 eV pro Quadratkilometer und Jahr auf die Erde, wodurch bodenbasierte Detektoren ineffizient werden. In der Astronomie wird daher normalerweise nur die schwache Fluoreszenz untersucht, die entsteht, wenn die kosmische Strahlung in die Atmosphäre eindringt und mit Luftmolekülen kollidiert. Diese Beobachtungen sind jedoch nur in sehr dunklen Nächten möglich. Buitink und sein Team an der VUB in Belgien haben nun eine neue Technik angewandt, mit der kosmische Teilchen anhand des Radiopulses, den sie beim Zusammenprall mit der Erdatmosphäre abgeben, erkannt werden können. „Diese Radioblitze sind sehr kurz. Sie sind nur einige zehn Nanosekunden lang“, ergänzt Buitink. Die Signale wurden mit LOFAR erfasst, einem Interferometer aus 20 000 kleinen Radioteleskopen in den Niederlanden. Um die kurzen Radioblitze der kosmischen Strahlung von vom Menschen hergestellten Quellen wie Zündkerzen in Fahrzeugmotoren zu unterscheiden, verwendet LOFAR Teilchendetektoren, mit denen der Schauer von Sekundärteilchen, der aus einer Kollision der kosmischen Strahlung in der oberen Atmosphäre resultiert, nachgewiesen werden kann. „Mithilfe von LOFAR haben wir gezeigt, dass sich die kosmische Strahlung mit Radiopulsen sehr genau überwachen lässt, sogar mit der gleichen Präzision wie mit herkömmlichen Techniken“, so Buitink. Die neue Technik wird es dem Forschungsteam ermöglichen, die kosmische Strahlung bei allen Lichtverhältnissen und über einen großen Bereich des Himmels zu beobachten.

Schwermetalle

Da schwerere kosmische Massenstrahlen – wie solche aus Eisen oder Blei – tiefer in die Atmosphäre eindringen, konnten Buitink und sein Team durch die Lokalisierung der Quelle des Radioblitzes die Bestandteile der erkannten kosmischen Strahlung sowie deren Energieniveau berechnen. Allerdings besteht immer noch eine kleine Unstimmigkeit zwischen den Ergebnissen von LOFAR und denen, die bei der Untersuchung der Luftfluoreszenz gewonnen wurden. „Entweder gibt es etwas, das wir an den Messungen nicht verstehen, oder des Rätsels Lösung könnte in der Physik verborgen liegen“, merkt Buitink an. „Was wir momentan sagen können, ist, dass LOFAR dazu beigetragen hat, Messungen zur Verfügung zu stellen, die auf einer völlig anderen Technologie mit anderen Unsicherheiten basieren.“ Für LOFAR sind nun Upgrades geplant, damit es kontinuierlich arbeiten und dringend benötigte Daten generieren kann. Außerdem versucht Buitink auch, das derzeit in Australien im Bau befindliche Square Kilometre Array (SKA) zu nutzen, um die kosmische Strahlung mit noch höherer Genauigkeit zu beobachten.

Schlüsselbegriffe

LOFAR, kosmische Strahlung, geladenes Teilchen, Radioblitz, Teleskop, Supernovae, Energiequelle, Sekundärteilchen

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