Gammastrahlen, Supernovae und Dunkle Materie
Gammastrahlen eröffnen Astrophysikern eine gänzlich andere Sicht auf Himmelsobjekte als etwa optisches Licht, Infrarotstrahlung oder Radiowellen: Sie geben Auskunft über hochenergetische Vorgänge im Universum – wie zum Beispiel bei supermassiven schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien, Supernova-Überresten oder Pulsaren. Solveig Michelsen hat den Astroteilchenphysiker Dr. Thomas Schweizer zu seiner Forschungsarbeit darüber befragt.
Thomas, früher hat man als Astronom einfach in den Nachthimmel geschaut. Heute stehen dafür hochauflösende Teleskope zur Verfügung. Inwiefern hat das die Sichtweise und das Verständnis für das Universum erweitert?
Da hat sich in der Tat einiges verändert. Es gibt inzwischen Teleskope in allen Wellenlängenbereichen, von Radio über Infrarot, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung bis Gammastrahlung. Würde man diese Wellenlängen mit einem Klavier vergleichen und das sichtbare Licht eine Oktave messen, dann spielte die Natur auf einem Klavier mit 15 Metern Länge. Heutzutage können wir also viele Dinge in anderen Wellenlängenbereichen beobachten, die nie zuvor gesehen wurden.
Seit 2006 arbeitet der Astroteilchenphysiker am Max-Planck-Institut für Physik, das zu den weltweit führenden Forschungseinrichtungen der Teilchenphysik zählt – 1917 von Albert Einstein gegründet, bis 1970 von Werner Heisenberg geleitet. Außerdem ist er maßgeblich beteiligt am Design der 23 Meter großen Teleskope des CTA-Projekts (Cherenkov Telescope Array).
Was siehst du dir vorrangig an?
In unserer Arbeitsgruppe haben wir uns auf Gammastrahlung spezialisiert. Gammastrahlung aus dem Weltall löst beim Eintritt in die Atmosphäre Teilchenschauer aus, die kurze Lichtblitze erzeugen. Diese können wir mit so genannten Cherenkov-Teleskopen sehen. Die eingebaute Kamera ist nicht nur in der Lage, einzelne Licht-Photonen zu sehen, sondern kann auch kurze Bild-Sequenzen mit 2 Milliarden Bilder pro Sekunde aufzeichnen. So können wir die extrem kurzen Lichtblitze entdecken, die typischerweise nur 2-5 Nanosekunden dauern.
Wow, das ergibt dann riesige Datenmengen, oder?
Ja, die neuen Cherenkov-Teleskope – insgesamt sind vier Stück gebaut worden – können jeweils 5 Gigabyte pro Sekunde aufzeichnen. Im Schnitt nehmen wir pro Teleskop 10-20 Terrabyte pro Nacht auf. Wir haben vor Ort eine kleine Rechnerfarm mit 3.000 Cores und 5,6 Petabyte Plattenspeicher. (1 Petabyte entspricht 1015 Byte oder rund 80 Jahre HD-Video in Dauerschleife.)
Und wie geht es mit den „eingefangenen“ Lichtblitzen weiter?
Das eingefangene Licht wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das wiederum wissenschaftlich untersucht werden kann, um mehr über die kosmischen Quellen der Gammastrahlungherauszufinden. Damit ergänzen wir die optische Astronomie, die Infrarotastronomie sowie die Röntgenastronomie und bekommen ein viel vollständigeres Bild.
Wie kann man Gammastrahlung erklären?
Gammastrahlung ist eine besonders Materie durchdringende elektromagnetische Strahlung, die nur bei hochenergetischen Ereignissen vorkommt, etwa einer Supernova, einem Pulsar oder auch dem Zerfall eines Atomkerns. Von hochenergetischer Gammastrahlung spricht man bei Strahlung am oberen Ende des Spektrums.
Der erste wirkliche Nachweis hochenergetischer Gammastrahlung oberhalb von 1 Terraelektronenvolt wurde vom Wipple-Teleskop im Jahr 1989 erbracht durch die Detektion des Krebsnebels, ein Pulsarwindnebel, welcher aus dem Wind des Pulsars gebildet wurde.
Ein Pulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern mit einer Masse von etwa zwei Sonnen, komprimiert auf einen Durchmesser von nur 12 Kilometern, mit einem gigantisch starken Magnetfeld von etwa 100 Millionen Tesla. (Als Vergleich: Die Erde hat rund 50 Mikrotesla.) Der Krebspulsar rotiert etwa 30 Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Wie ein gigantischer Dynamo erzeugt er 30 Mal pro Sekunde Lichtblitze im ganzen Spektrum von Radiowellen.
Der Nachweis dieser hochenergetischen Gammastrahlung ist mir auf La Palma mit einer speziellen Triggerschaltung gelungen. Diese Schaltung aktiviert die Auslese der Kamera, wenn besonders kleine Schauer mit niedriger Energie (>25 Gigaelektronenvolt) auftauchen. Bis dahin hat unser Teleskop nur oberhalb von 60 Gigaelektronenvolt getriggert, und das gepulste Signal ist uns zunächst entgangen.
Supernovae sind ein heißes Thema. Kannst du noch mehr dazu erzählen?
Eine Supernova ist so hell, dass sie mit bloßem Auge am Himmel sichtbar ist. Im Sternbild Stier haben chinesische Astronomen etwa bereits am 11. April 1054 eine Supernova entdeckt und beschrieben, aus der sich später der Krebsnebel entwickelt hat. Typischerweise leuchtet die aktive Explosion ganz hell für ein paar Tage, bevor sie verglüht. Sie ist dann optisch nicht mehr sichtbar. Aber die Explosionswolke dehnt sich weiter aus, über viele Jahrtausende und mit einer Geschwindigkeit von 3.000 Kilometern pro Sekunde.
Bei einer Supernova-Explosion entstehen übrigens sämtliche Elemente des Periodensystems, also die Grundbedingung für die Entstehung neuen Lebens. Auch wir sind quasi aus Sternenstaub zusammengesetzt. Aus den neu gebildeten Elementen und dem Sternenstaub formen sich auch neue Planeten und Sterne.
Je nach Masse des explodierten Sterns entsteht danach dann ein weißer Zwerg, ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern – die dichteste Form.
Auch wir sind quasi aus Sternenstaub zusammengesetzt.
Um Schwarze Löcher ranken sich ja viele Mythen ...
Schwarze Löcher bilden das Zentrum einer jeden Galaxie und halten sie durch ihre Gravitation zusammen. Auch in unserer Galaxie gibt es ein Schwarzes Loch, im Sternbild Sagittarius. Man nimmt aber an, dass die riesigen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien nicht durch Sternenexplosionen, sondern bereits beim Urknall entstanden sind, also schon immer da waren. Die Galaxien haben sich dann erst später drum rum gebildet.
Das Schwarze Loch in unserer Galaxie ist ein sehr kleines. Es hat „nur“ 4,3 Millionen Sonnenmassen – verglichen zum Beispiel mit dem Schwarzen Loch M87, das hat 6,5 Milliarden Sonnenmassen! M87 ist das erste Schwarze Loch, das jemals scharf aufgelöst wurde. 2019 ist das eine richtige Sensation gewesen, gelungen durch einen Zusammenschluss aller Radioteleskope auf der Erde zu dem ganz großen Event Horizon Telescope.
Und was hat es mit dem Krebsnebel auf sich?
Der Krebsnebel ist ein Pulsarwindnebel. Das kann man so erklären: Vom Pulsar, also dem sehr schnell rotierenden Neutronenstern, wird eine Art Wind ausgestoßen, ein Strom hochenergetischer, geladener Teilchen. In einiger Entfernung vom Pulsar – beim Krebsnebel etwa ein halbes Lichtjahr weit weg – stößt der Pulsarwind gegen interstellare Materie und formt den Terminierungsschock des Pulsarwinds. Der Wind selbst hat schon sehr hohe Energie, typischerweise 1 Terraelektronenvolt, und im Schock werden die Teilchen dann zu noch höheren Energien beschleunigt. Der entstehende Nebel wächst sichtbar schnell und wird von Jahr zu Jahr größer. Der Krebsnebel ist das bekannteste Beispiel für so ein Phänomen.
Um zurückzukommen auf die Gammastrahlung: Warum ist diese für die Forschung so interessant?
Wir versuchen ja zu begreifen, wie das Weltall aufgebaut ist. Die Gammastrahlung, die wir von Objekten beobachten, hilft uns zu verstehen, was die Quellen kosmischer Strahlung sind, der wir auf der Erde ausgesetzt sind. Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus extrem hochenergetischen geladenen Ionen von Wasserstoff bis Eisen, quer durch das Periodensystem. Kosmische Strahlung ist der Motor des Lebens, denn sie löst Mutationen aus, welche die Evolution überhaupt erst möglich machen.
Wir wollen damit aber auch andere spannende Themen lösen. Ganz besonders interessant wäre eine Detektion von Dunkler Materie, die einen Großtel unseres Weltalls ausmacht und sich zum Beispiel in den Zentren der Galaxien anhäuft. Bisher ist nicht bekannt, woraus Dunkle Materie besteht, und Physiker haben viele Hypothesen dazu aufgestellt. Sie lässt sich bislang nur indirekt über die Wechselwirkung ihrer Schwerkraft mit anderen kosmischen Objekten ableiten.
Wie ist da die Herangehensweise?
Dunkle Materie selbst sendet keine Strahlung aus; bei einer Kollision mit anderen Teilchen setzt jedoch manche davon hochenergetische Gammastrahlung frei. Und diese ist messbar.
Eine heiß diskutierte Hypothese: Dunkle Materie könnte schwach wechselwirkende schwere Teilchen beinhalten, so genannte WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Wenn diese zusammenstoßen, löschen sie sich gegenseitig aus (Self-Annihilation) und wandeln sich in Gammaphotonen um. Diese Gammaphotonen können wir mit unseren Teleskopen messen.
Die Existenz von WIMPs wäre auch ein starkes Indiz für das Prinzip der Supersymmetrie. Supersymmetrie ist grob gesagt eine Symmetrie zwischen Strahlung und Materie, Raum-Translationen, Rotationen und Gravitation. Da würden wir jetzt ein neues Fass aufmachen, aber diese Symmetrie könnte die Existenz von Gravitation erklären. Das brächte uns mit Gewissheit den Nobelpreis ein.
Wie weit ist man damit?
Ach, die Teilchenphysiker denken sich alle möglichen theoretischen Teilchen aus, die zu der Theorie der Dunklen Materie passen. Und dann versuchen sie diese zu „finden”. Ganz heiße Kandidaten als mögliche Bausteine Dunkler Materie sind wie gesagt die WIMPs. Diese bislang hypothetischen Teilchen sind schwerer als Protonen und treten kaum in Wechselwirkung mit anderer Materie. Eine ganze Menge Wissenschaftler sind hinter ihnen her, aber das wird schon noch ein Weilchen dauern …
Und dafür braucht man dann exzellente Cherenkov-Teleskope?
Genau. Diese können dann zum Beispiel einen Teilchenschauer besser erfassen, der beim Eintritt kosmischer Strahlung in unsere Atmosphäre entsteht: Kosmische Strahlung enthält alle möglichen geladenen Teilchen, unter anderem auch Gammastrahlung. Stoßen diese Teilchen gegen Luftmoleküle, zerplatzen sie in Millionen neuer Teilchen, die wiederum auf Luftmoleküle treffen. Ein Nebenprodukt der Wechselwirkung der Gammastrahlen mit der Atmosphäre ist das so genannte Cherenkov-Licht, das wir mit Hilfe der Teleskope festhalten.
Teleskope für die astronomische Forschung stehen rund um den Globus an möglichst dunklen Orten, die zudem möglichst selten bewölkt sind. Auf La Palma, wo wir gerade mit dem CTA-Projekt (Cherenkov Telescope Array) die mit Abstand weltweit sensibelsten Teleskope errichten, sind die Bedingungen geradezu ideal.
Wie weit ist dieses Projekt schon gediehen?
Vier neue Teleskope mit jeweils 23 Metern Spiegeldurchmesser werden im Oktober 2026 dort eingeweiht. Jedes Teleskop kostet etwa 15 Millionen Euro – nur die Materialkosten. 1.000 Astrophysiker und nochmal so viele Ingenieure sind an dem Projekt beteiligt, davon 400 in La Palma, der Rest in Chile, dem zweiten Standort des CTA-Projekts.
Die neuen CTA-LST-Teleskope in La Palma haben eine wesentlich höhere Empfindlichkeit, eine höhere Winkelauflösung und eine niedrigere Energieschwelle und sind dann weltweit das empfindlichste Observatorium für Gammastrahlung oberhalb von 20 GeV. Durch die achtfach höhere Empfindlichkeit (verglichen mit den jetzigen Teleskopen MAGIC, H.E.S.S. in Namibia und VERITAS in den USA) werden wir tausende neue Quellen und Objekte beobachten können. Die Ära der Gammastrahlungs-Astrophysik hat also begonnen. Viele spannende und bahnbrechende Entdeckungen werden erwartet – eine davon, vielleicht mit Glück, die Identifizierung von Dunkler Materie.
Das CTA-Projekt auf La Palma
Ansicht der Teleskop-Anlage in den Bergen von La Palma © CTAO – Cherenkov Telescope Array Observatory
Fundament für den ersten Prototypen © CTAO – Cherenkov Telescope Array Observatory
Der erste Prototyp © CTAO – Cherenkov Telescope Array Observatory
Ein Spiegel wird installiert. © CTAO – Cherenkov Telescope Array Observatory
Ein Anfang ist gemacht: Der erste Spiegel ist an Ort und Stelle. © CTAO – Cherenkov Telescope Array Observatory
