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Astro-Teilchenphysik


In Genf jagt man den Staub der Sterne




Sie kommen von der Sonne oder aus den Tiefen des Weltalls. Die Astroteilchen, kleinste, energiegeladene Körner, geben den Wissenschaftlern Aufschluss über die Herkunft und die Entwicklung des Universums. Zwei Detektoren – ein internationaler und ein chinesischer – verfolgen solche direkt auf der Erdumlaufbahn. Genf hat an der Konzeption dieser Maschinen teilgenommen und analysiert einen Teil der Daten, welche diese liefern. 

AMS-02 ist an die Aussenseite der internationalen Raumstation gekoppelt, die in einer Höhe von 400 Kilometern über unseren Köpfen kreist. (NASA)

AMS-02 ist an die Aussenseite der internationalen Raumstation gekoppelt, die in einer Höhe von 400 Kilometern über unseren Köpfen kreist.

(NASA)

Der erste heisst AMS-02. Er dreht seit fünfeinhalb Jahren auf der internationalen Raumstation (ISS). Für das Gemeinschaftswerk sind Amerikaner, Russen, Europäer, Japaner und Kanadier tätig. Der zweite namens Polar ist letzten Monat mit der chinesischen Raumstation Tiangong 2 gestartet.

Ziel: Teilchen aufspüren und analysieren, die vor allem von Sternen abgegeben werden und dauernd in unvorstellbarer Geschwindigkeit im Weltraum kreisen. Nach diesem Prinzip funktionieren auch die Detektoren des CERN (Europäisches Laboratorium für Teilchenphysik), ausser dass hier Teilchen nicht durch Beschleunigung und/oder Kollision erzeugt werden, sondern jene eingefangen werden, die natürlicherweise entstehen. AMS und Polar verdanken dem CERN, aber auch der Abteilung für Kern- und Teilchenphysik der Universität Genf, einiges.

Für Spezialisten, aber nicht nur…

Zuerst AMS: Der vom Nobelpreisträger für Physik, Samuel Ting, konzipierte Super-Magnet setzt sich aus 6000 zusammengeklebten Metalllegierungen zusammen. Der im Zentrum durchbohrte Magnet gleicht einem riesigen Donut-Gebäck mit einem Durchmesser von 1 Meter 10 und einer Höhe von 80 Zentimetern. Er trennt die Teilchen nach elektrischer Ladung bevor er sie durch eine Reihe Detektoren schickt, um deren Eigenschaften zu identifizieren.

AMS muss in der Lage sein, Protonen und sogar Atome der Antimaterie zu fassen, und Physiker auf die Piste der mysteriösen Schwarzen Materie zu setzen, über deren Verbindungen mit der Antimaterie noch debattiert wird. Nach fünf Jahren und fast 100 Milliarden aufgespürten Teilchen ist AMS bisher noch keine herausragende Entdeckung gelungen. Die Resultate haben vor allem dazu gedient, die theoretischen Modelle der Physiker zu verfeinern, um diese dazu zu bringen, sich den Kopf noch mehr zu zerbrechen.

16 Jahre Arbeit stecken in der Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme des AMS (Video in englischer Sprache)

Enttäuschende Bilanz? Nicht für Sonia Natale, die an der Konzeption von AMS gearbeitet hat. Sie erinnert daran, dass in der Wissenschaft nichts im Voraus gewonnen ist, und das Glück auch eine Rolle spielen kann. Als Beispiel nennt sie die Gravitationswellen, die – nach einem technisch bedingten Unterbruch von mehreren Jahren – am Tag der Wiederaufnahme des Betriebs am Observatorium LIGO in den USA aufgespürt wurden.

"Wie dem auch sei", sagt die Physikerin am CERN, "AMS wird realisieren, was bisher noch nicht gelungen ist: ein permanentes Monitoring aller Teilchenströme um die Erde, die im Wesentlichen von der Sonne kommen. Und dies während der gesamten Lebensdauer der ISS bis 2024 oder hoffentlich noch länger."

Die Wissenschaftler werden über wertvolle Daten der verschiedenen Aktivitäten des Morgensterns während eines kompletten Solarzyklus (11 Jahre) verfügen. Anhand dieser Daten wird sich der Einfluss des Sterns auf das Leben und die menschlichen Aktivitäten (Klimawandel, Funkkommunikation usw.) abschätzen lassen.

Die Daten gelangen in die Anlage von Prévessin auf französischem Territorium, die vom CERN in den 1970er-Jahren errichtet wurde. Hier hat man bereits ein Bein in der NASA. Obwohl der Ort nicht zur amerikanischen Raumfahrtbehörde gehört, ist AMS gut an "seine" Raumstation gekoppelt. "Sie sind es, welche die Infrastruktur bewirtschaften, deshalb müssen wir ihren Regeln folgen", sagt Sonia Natale.

Chinesische Disziplin

Mit Reglements-Zwängen hat auch Nicolas Produit seine Erfahrungen gemacht. Nicht in Genf, nicht in Houston, sondern in China. Der ehemalige Physiker am CERN, der zurzeit am Observatorium Genf arbeitet, hat Polar entwickelt, das erste nicht-chinesische Experiment, das auf einer Raumstation des Reichs der Mitte eingesetzt wird, die demnächst Astronauten aufnehmen wird.

Für den Abschuss am 15. September auf der Basis von Jiuquan, mitten in der Wüste Gobi, war Produit zwar vorschriftsgemäss akkreditiert. Aber am Abend vor dem Tag J durften er und seine beiden Kollegen nicht ausgehen. Den Abschuss der Longue-Marche-Rakete mussten sie vom Dach ihres Hotels aus verfolgen. Der Grund: Die drei Männer waren in einem Stadtquartier spazieren gegangen, in dem sie sich nicht hätten aufhalten dürfen, weil dort ein Minister vorbeigekommen war. Das chinesische Militär – das die bemannte Raumfahrt kontrolliert – versteht punkto Disziplin keinen Spass.

Abschuss der Longue-Marche-Rakete, die Polar am 15. September 2016 in Umlauf setzte. Der Detektor ist an die zweite Version der chinesischen Raumstation angekoppelt.   (Reuters)

Abschuss der Longue-Marche-Rakete, die Polar am 15. September 2016 in Umlauf setzte. Der Detektor ist an die zweite Version der chinesischen Raumstation angekoppelt.  

(Reuters)

Heute kann Nicolas Produit über den Vorfall lachen. Denn abgesehen von diesen Missklängen, ist er sehr zufrieden, dass es ihm gelungen ist, die Chinesen zu überzeugen, seinen Detektor auf die Erdumlaufbahn zu schicken.

Polar ist kein "AMS-light". Es ist eine Aluminium-Schachtel von 40 auf 40 cm, gefüllt mit 1600 Szintillatoren, also Kristalle, die bei Erschütterungen stark energiegeladene Photonen (Elementarteilchen des elektromagnetischen Feldes) abgeben. Während AMS möglichst alles analysieren soll, muss Polar nur auf eine einzige Frage antworten: "Werden die Photonen, die während der intensivsten Phase des Gammastrahlen-Ausbruchs polarisiert oder nicht?"

Galaktische Naturkatastrophen

Ein Gammastrahlen-Ausbruch ist das gewaltigste und lichtintensivste Phänomen, das man im Universum beobachten kann. Während einiger Sekunden bis Minuten wird eine enorme Teilchenmasse, welche die Grösse der Erde erreichen kann, mit Lichtgeschwindigkeit ins All geschleudert.

Die am meisten verbreitete Hypothese lautet, dass diese Naturkatastrophe die Folge eines Kollapses eines riesengrossen Sterns (mehrere hundert Mal grösser als unsere Sonne) ist, der seine Existenz in Form eines schwarzen Lochs beendet.

Gammastrahlen-Ausbrüche leuchten 100 Millionen Mal stärker als eine Supernova (Video in englischer Sprache)

Diese gigantischen Blitzlichter – sie sind in der Lage, eine ganze Galaxis zu beleuchten – sind sehr selten. Man schätzt, dass alle hundert Millionen Jahre rund eines pro Galaxis entsteht. Aber weil es sehr viele Galaxien hat, ist die Wahrscheinlichkeit, eines beobachten zu können, im Durchschnitt eines pro Tag. Polar ist so konzipiert, dass er dauernd einen Viertel des Himmels "sehen" kann und deshalb im Durchschnitt alle vier Tage einen Ausbruch von Gammastrahlen einfangen können sollte.

Und die Polarisierung? Sehr schematisch betrachtet, kann man sagen, dass sich das "normale" Licht auf einer Bahn bewegt, welche die Form vertikaler Wellen hat, wie die Wellen des Meers. Wenn das Licht polarisiert wird, erfährt die Welle eine Rotation, zum Beispiel um 45°, und sich nicht mehr vertikal, sondern flach verbreitet.

Wie verbreiten sich also die Wellen der Gammastrahlen? "Man erforscht sie seit 50 Jahren, weiss aber noch nichts", sagt der Physiker. Die Vorhersagen gehen von 0 bis 100% Polarisierung aus. Damit das Licht polarisiert wird, braucht es ein magnetisches Feld und eine nicht allzu grosse Emissionszone. Die Daten, die wir einfangen, werden uns helfen zu verstehen, was Gammastrahlen-Ausbrüche tatsächlich sind."

Der Tod, der von der Sonne kommt

Gammastrahlen-Ausbrüche werden in anderen Galaxien in Gang gesetzt, die Millionen, wenn nicht Milliarden Lichtjahre von unserem Planeten entfernt sind. "Zum Glück für uns", sagt Nicolas Produit, "wenn sie einen auf unserer Milchstrasse produzieren würden, wäre dies für das Leben auf der Erde gar nicht gut."

Laut einem Artikel, der 2013 in der Zeitschrift Nature erschien, könnte ein Gammastrahlen-Ausbruch, der die Erde berühren würde, in wenigen Sekunden mindestens einen Drittel der Ozonschicht zerstören. Die UV-Strahlen der Sonne hätten danach eine tödliche Wirkung für den grössten Teil der Pflanzen und des Planktons, das die Basis der ozeanischen Nahrungskette ist. Bis zu 60% der Nahrungsmittelproduktion würde in wenigen Wochen zusammenbrechen. Man kann sich vorstellen, welches Chaos unter den Menschen ausbrechen würde.

Und um dem apokalyptischen Szenario noch ein wenig Ambiente hinzuzufügen: Die neue Chemie der Atmosphäre würde zur Bildung einer toxischen Wolkenschicht aus Stickstoffoxid führen, welche die Sonne abschirmen, den Himmel gelb-orange verfärben und saure Regengüsse auslösen würde. 


(Übertragung aus dem Französischen: Peter Siegenthaler), swissinfo.ch

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