Eine neue Ära der Astrophysik

Astronomen erforschen das Universum mit verschiedenen „Sinnen“ – und entdecken dabei eine gewaltige Quelle der kosmischen Strahlung.

Manchmal genügt ein einziges Teilchen, um mehr als 1.000 Wissenschaftler
über Monate zu beschäftigen. So geschah es beim Neutrino 170922A, das eine Spur im IceCube-Detektor unter dem Südpol erzeugte. Daraufhin wurden Astronomen in aller Welt alarmiert, um nach der Quelle am Himmel zu fahnden. Sie entdeckten dabei die erste extragalaktische Ursache der bereits seit über einem Jahrhundert bekannten kosmischen Strahlung. Mit dieser Messung hat ein neues Paradigma der Himmelskunde begonnen: die Multi-Messenger-Astronomie. Das ist die Beobachtung eines Vorgangs mithilfe mindestens zwei der grundverschiedenen kosmischen Botschaften. Es ist, als würden sie erstmals dieselben Quellen zugleich sehen, hören und riechen können – mit dem Unterschied, dass die Wirkungen des Weltalls den menschlichen Sinnen nur indirekt zugänglich sind. Der Vorteil: Mehrere unabhängige Informationsüberträger vermitteln ein neues und wesentlich tieferes Verständnis.

Das Quintett kosmischer Botschaften

Man kann fünf Arten von Signalen aus dem Weltraum unterscheiden, wobei sich zwei davon erst seit wenigen Jahren nachweisen lassen. Eine Analogie zu den sprichwörtlichen fünf menschlichen Sinnen ist hilfreich – aber irreführend, wenn sie überstrapaziert wird.
– Elektromagnetische Strahlung: Sie ist die wichtigste Informationsquelle, entspricht den Reizen für den Gesichtssinn, besteht physikalisch aber nicht nur aus dem sichtbaren Licht, sondern aus dem ganzen Spektrum – von der langwelligen Radio-, Mikrowellen- und Infrarotstrahlung bis zum Bereich mit höheren Frequenzen als Licht, der Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlung.
– Festkörper: Meteoriten, die sich betasten lassen, wenn sie beim Flug durch die Erdatmosphäre nicht völlig verglühen und zerfallen. Die meisten stammen von zerbrochenen Kometenkernen und aus der Kollision von Planetoiden, doch einige wurden auch bei Einschlägen auf dem Mars und Mond ins All geschleudert und haben sich im Lauf von Jahrmillionen zur Erde verirrt. Außerdem rieseln gegenwärtig mehrere Tausend Tonnen Staub im Jahr auf die Erde. Die bis zu 0,0001 Millimeter messenden Teilchen
stammen ebenfalls überwiegend von Kometen und Planetoiden – oder aus der primordialen Wolke, aus der sich das Sonnensystem vor rund 4,6 Milliarden Jahren gebildet hat.
– Kosmische Strahlung: Sie ist am ehesten mit den Stimulanzien des Geruchssinns vergleichbar, denn die Detektoren entdecken Stoffe aus dem All – vor allem energiereiche Protonen und Elektronen, aber auch Ionen, schwerere Atomkerne und zuweilen Antimaterie-Teilchen (Positronen und Antiprotonen) sowie viele kurzlebige Partikel wie Myonen und Mesonen. Aus historischen Gründen wird ein Teil der Gammastrahlung oft ebenfalls zur kosmischen Strahlung gerechnet.
– Neutrinos: Auch sie sind „materiell“, aber auf eine besondere Weise. Die flüchtigen, fast masselosen und daher beinahe lichtschnellen Elementarteilchen wechselwirken nämlich nur äußerst schwach mit gewöhnlicher Materie – elektromagnetisch sogar überhaupt nicht –, weshalb sie selbst große Himmelskörper ungestört durchdringen können. Sie legen daher Milliarden Lichtjahre im All zurück, ohne von Magnetfeldern und Materie abgelenkt oder behindert zu werden. Neutrinos wurden zunächst aus dem All nur von der Sonne nachgewiesen, dann von der Supernova 1987A, inzwischen auch in der kosmischen Strahlung und indirekt in der Hintergrundstrahlung vom Urknall.
– Gravitationswellen: Sie lassen sich mit Schallwellen vergleichen, also mit Luftdruck-Schwingungen. Doch ihr Übertragungsmedium ist nicht Gas, sondern die Raumzeit selbst. Deren periodische Stauchungen und Dehnungen können raffinierte riesige Laser-Detektoren gleichwohl hörbar machen – eine geradezu unerhörte Leistung seit Albert Einsteins Voraussage 1916. Gravitationswellen wurden zunächst aus der Bewegung
von Neutronenstern-Paaren indirekt erschlossen und ab 2015 direkt gemessen.

Kräuselungen der Raumzeit

Das Jahr 2017 wird in die Wissenschaftsgeschichte eingehen, weil es zum ersten Mal völlig verschiedene Betrachtungsweisen derselben Vorgänge weit außerhalb der Milchstraße eröffnet hat. Angefangen hat es mit einem wahren Paukenschlag: der erstmals beobachteten Kollision zweier Neutronensterne. Dieses Inferno machte sich sowohl durch ein Energiegewitter quer durch das elektromagnetische Spektrum bemerkbar als auch durch das Erzittern der Raumzeit selbst – in Form von Gravitationswellen. Bei der Karambolage der beiden ultrakompakten Sternleichen am 17. August 2017 wurde Strahlung frei: am Rand der 144 Millionen Lichtjahre fernen Galaxie NGC 4993.

Ein Geisterteilchen aus vier Milliarden Lichtjahren Distanz

Genauso spektakulär war ein zweites Ereignis. Es ist ebenfalls ein Multi-Messenger-Paradebeispiel und der erste klare Hinweis auf eine gemeinsame Quelle von Neutrinos und Gammastrahlung. Am 22. September 2017 um 20:54:30 Uhr Weltzeit stieß ein fast lichtschnelles Neutrino zufällig mit einem Atomkern im Eis der Antarktis zusammen. Dabei entstand ein bläulicher Lichtblitz. Diese Tscherenkow-Strahlung
erhaschte der IceCube-Detektor, der seit 2008 kontinuierlich den gesamten Himmel überwacht. Das Neutrino, des nach seinem Datum benannten Ereignisses 170922A, brachte es auf etwa 290 Teraelektronenvolt. Es ist das erste, dessen Herkunftsort ermittelt werden konnte. Es stammt aus dem Zentrum der vier Milliarden Lichtjahre fernen Galaxie TXS 0506+056, wo sich ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Von dort haben das Weltraumobservatorium Fermi und das MAGIC-Teleskop auf La Palma zur selben Zeit einen enormen Ausbruch von Gammastrahlen festgestellt. 170922A war nur die Spitze des Neutrino-Eisbergs. Es müssen Millionen solcher Partikel unbemerkt durch IceCube geschossen sein. Die Messungen sind der erste Hinweis, dass ein Teil der Gammaquanten der kosmischen Strahlung aus der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher stammt.

Rüdiger Vaas

Über den Autor: Rüdiger Vaas ist Philosoph, Publizist, Dozent sowie Astronomie- und Physik-Redakteur beim Monatsmagazin bild der wissenschaft und Autor von 14 Büchern.

Literatur:

Bücher zum Thema von Rüdiger Vaas (alle KOSMOS Verlag, Stuttgart):

• Signale der Schwerkraft. Gravitationswellen: Von Einsteins Erkenntnis zur neuen Ära der Astrophysik. (2017)
• Jenseits von Einsteins Universum. Von der Relativitätstheorie zur Quantengravitation. (2017, 4. Aufl.)

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