Aachen: Forscherteam mit RWTH-Beteiligung triumphiert am Südpol

Aachen : Forscherteam mit RWTH-Beteiligung triumphiert am Südpol

Der 22. September 2017 war gewissermaßen der Tag, auf den Christopher Wiebusch 28 Jahre lang gewartet hatte. Der IceCube-Detektor — mitten im ewigen Eis am Südpol — vermeldete den Fang eines außergewöhnlich energiereichen Neutrinos aus den Weiten des Alls.

Doch nicht nur das: Erstmals konnte die Quelle dieses „Geisterteilchens“ identifiziert werden — eine große, etwa vier Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie im Sternbild Orion, die ein gewaltiges schwarzes Loch beherbergt.

Christopher Wiebusch, Professor für Astroteilchenphysik an der RWTH Aachen, hat 28 Jahre auf diesen Moment gewartet. Foto: Menne

Für den RWTH-Professor für Astroteilchenphysik, der im Jahr 1989 bereits seine Diplomarbeit über Neutrinos geschrieben hat, ist das eine Sensation, „fast so bedeutsam wie die Entdeckung der Gravitationswellen“. Für die gab es im vergangenen Jahr immerhin den Nobelpreis. Überall auf der Welt jubelten Astro-Physiker mit ihm.

Für den Laien mutet die Begeisterung über die Entdeckung zunächst seltsam an. Was soll daran besonders sein? Warum löst diese Meldung in der wissenschaftlichen Welt solche Begeisterungsstürme aus, dass sie sogar die Titelseite des weltweit bekanntesten Wissenschaftsmagazins „Science“ schmückt? Dazu muss man wissen, dass die sogenannte kosmische Strahlung, die von der Sonne, der Milchstraße und von fernen Galaxien auf unsere Erdatmosphäre prasselt, bereits 1912, also vor mehr als 100 Jahren, von dem österreichischen Physiker Victor Hess entdeckt wurde. Die darin enthaltenen geladenen Teilchen werden aber von Magnetfeldern im Universum abgelenkt und von kosmischen Staubwirbeln abgeschwächt. Ihre Herkunft lässt sich somit nicht mehr rekonstruieren.

Ungehindert im Universum unterwegs

Die ultraleichten, ungeladenen Neutrinos, die im All entstehen, fliegen jedoch nahezu ungehindert durch das Universum und selbst duch die Erde hindurch. Mehrere Billiarden davon durchströmen uns in jeder Sekunde. Ihre Eigenschaften sind mittlerweile gut erforscht. Nur die Quelle dieser Strahlung war lange unklar — bis jetzt.

IceCube, das ist ein Hochenergie-Neutrino-Observatorium nahe der Amundsen-Scott-Forschungsstation in der Antarktis. In mehreren Kilometern Tiefe und auf einer Fläche von rund einem Quadratkilometer sind dort mehr als 5000 hochempfindliche optische Messmodule jeweils von der Größe eines Basketballs ins Eis eingelassen. Wenn nun ein einfallendes Neutrino mit dem Atomkern eines Eismoleküls kollidiert, entsteht Licht, das von den Messmodulen registriert wird. Aus den Ankunftszeiten des Lichts an den einzelnen Sensoren kann errechnet werden, aus welcher Richtung das Neutrino kam und welche Energie es hatte.

„Wir wissen nun, dass unser Experiment funktioniert und wonach wir suchen müssen“, sagt Wiebusch — nicht ganz ohne Erleichterung. Denn schon 2013 war den rund 400 an dem Großforschungsprojekt beteiligten und über die ganze Welt verstreuten Physikern ein solches Neutrino ins Netz gegangen, das aufgrund seiner hohen Energie definitiv nicht auf der Erde oder in der Atmosphäre entstanden sein konnte. Doch das Forschernetzwerk war zu langsam. Ein von den Wissenschaftlern der RWTH in die Astronomie-Welt hinaus gesandtes Telegramm brauchte zu lange. Die informierten Observatorien konnten erst zu spät Beobachtungen anstellen und dann aus der Flugrichtung des Neutrinos nichts Ungewöhnliches mehr feststellen.

Internetbasiertes Alarmsystem

Seit April 2016 verfügt IceCube nun über ein internetbasiertes Alarmsystem, das Astronomen in aller Welt in weniger als einer Minute über die Energie und Richtung von besonders aussichtsreichen Neutrinos informiert. Die Idee dahinter: so schnell wie möglich viele Teleskope und Messgeräte auf den Himmelsbereich richten, aus dem das Teilchen stammte. Aufregend ist die Entdeckung auch deshalb, weil sie „ein neues Beobachtungsfenster eröffnet, durch das sich der Weltraum auf eine vollkommen neue Weise beobachten lässt“, sagt Christopher Wiebusch. Er nennt das Multi-Messenger-Astronomie. Zusammen mit Gravitationswellen, Photonen und den anderen Bestandteilen der kosmischen Strahlung lässt sich ein immer genaueres Bild von den Geschehnissen in unserem Universum zeichnen. Galileo Galilei hat erstmals mit einem Fernrohr die Planeten beobachtet und damit eine neue Beobachtungsmethode etabliert.

Mit jedem weiteren verbesserten oder neuen Instrument, wie Radio-Teleskopen oder Satelliten, konnten Astronomen völlig neuartige Erkenntnisse gewinnen. Heute versucht man mit immer ausgefeilterer Sensorik und computerbasierten Auswertungsmethoden, die Boten aus dem All aufzuspüren und noch tiefer in die Geheimnisse des Universums vorzudringen.

Doch mit einer wie großen Wahrscheinlichkeit lässt sich ein Irrtum der Wissenschaftler ausschließen? „Eine völlige Gewissheit gibt es nie“, sagt Wiebusch. Dafür sei ein einzelnes Ereignis einfach nicht ausreichend. Er beziffert die Wahrscheinlichkeit, dass es sich lediglich um einen Zufall handelt, dass alle Geräte die gleiche Quelle für das Neutrino ausmachen konnten, auf zunächst nur etwa 1 zu 1000. Allerdings konnten die Forscher dann in einem zweiten Schritt in den archivierten Messdaten der letzten zehn Jahre klare Anzeichen dafür finden, dass weitere Neutrinos aus der Richtung der besagten Galaxie kamen. Das steigert die Gewissheit deutlich.

Extrem hohe Energie

Der nächste Schritt müsse nun sein, die Erkenntnisse zu nutzen, um weitere Quellen im Weltall zu identifizieren, sagt Wiebusch. Denn Schwarze Löcher können laut theoretischer Überlegungen nicht der einzige Ursprung von hochenergetischen Neutrinos sein. Auch Sternexplosionen kommen in Frage. Außerdem erhoffen die Forscher sich mit Hilfe der Neutrinos Erkenntnisse über die geheimnisvolle Dunkle Materie, die es geben muss, aber die noch nie jemand direkt beobachten konnte. Und schließlich bleibt die Frage offen, wie es überhaupt möglich ist, Teilchen auf so hohe Energien zu bringen — zum Vergleich: Am Large Hadron Collider (LHC) in Genf, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, schafft man gerade mal ein Tausendstel der Energie kosmischer Neutrinos.