Auf der Suche nach den energiereichsten Teilchen des Universums schalten Astronomen das Radio ein

Seit ihrer Entdeckung in den 1960er Jahren haben kosmische Strahlen mit ultrahoher Energie Wissenschaftler fasziniert, die sich fragen, woher sie kommen. Wie alle kosmischen Strahlen sind sie wohl falsch benannt: Sie sind keine „Strahlen“ der Strahlung, sondern subatomare Teilchen wie Protonen oder sogar ganze Kerne, die durch den Raum rasen. Solche ultrahohen Energien kommen von ultrahohen Geschwindigkeiten und nähern sich denen des Lichts selbst an.

Um als „ultrahoch“ zu gelten, muss ein kosmischer Strahl eine Größenordnung von einer Billion Elektronenvolt oder 1.000 Peta-Elektronenvolt (PeV) kinetischer Energie aufweisen – ungefähr ein Hundertstel dessen, was erforderlich wäre, um ein einzelnes Zeichen abzutasten eine Tastatur. Das Zusammendrücken von so viel Energie in ein so winziges Objekt – eine Billion Mal kleiner als ein Staubkorn – übertrifft die Fähigkeiten der Beschleuniger der Menschheit, die im besten Fall nur Partikel mit etwa der Energie einer fliegenden Mücke produzieren können, bei weitem.

Und so umwerfend ein durchschnittlicher kosmischer Strahl mit ultrahoher Energie auch sein mag, die sehr seltenen Überflieger, die Forscher beobachtet haben, sind wirklich erstaunlich und tragen Energien, die bis zu 300-mal höher sind – satte 300.000 PeV. Als Referenz bedeutet dies, dass ein besonders schnelles subatomares Projektil, das aus dem Weltraum rast, den Wallop eines gut getroffenen Tennisballs packen kann.

Astrophysiker wissen noch nicht genau, was diese Teilchen auf solch lächerliche Geschwindigkeiten beschleunigt, aber sie möchten es unbedingt herausfinden. Die einzigen plausiblen Schuldigen sind wirklich katastrophale Ereignisse – wie der explosive Tod massereicher Sterne oder die unersättliche Zufuhr supermassiver Schwarzer Löcher jenseits der Milchstraße -, was bedeutet, dass diese außergewöhnlichen Teilchen Botenstoffe aus den Tiefen des extragalaktischen Raums sein müssen, die Geheimnisse von einigen von ihnen tragen die extremste Physik im Universum.

Es gibt jedoch ein großes Problem. Als geladene Teilchen werden alle kosmischen Strahlen auf ihren Reisen durch elektromagnetische Felder abgelenkt, mit denen sie in Kontakt kommen, so dass es nahezu unmöglich ist, sie auf ihren wahren himmlischen Ursprung zurückzuführen. Glücklicherweise haben Forscher herausgefunden, dass die Natur einen anderen Weg nach vorne bietet: die Untersuchung von Neutrinos, elektrisch neutralen Teilchen, von denen angenommen wird, dass sie in denselben Quellen wie die kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie selbst erzeugt werden.

“Ich betrachte Neutrinos als das perfekte Botenstoffteilchen”, sagt Abigail Vieregg, Astrophysikerin an der Universität von Chicago. “Sie sind insofern einzigartig, als sie von weit her im Universum reisen, ohne mit irgendetwas zu interagieren oder sich auf ihrem Weg hierher in Magnetfeldern zu verbiegen.”

Mit Neutrinos das Universum erforschen

Ein durchschnittliches Neutrino hat eine Chance von 50 bis 50, ein ganzes Lichtjahr Blei – 9,5 Billionen Kilometer dichtes Metall – völlig unversehrt zu durchlaufen. Diese tiefe Zurückhaltung verschafft den Partikeln einen Vorteil gegenüber anderen Botenstoffen: Da sie selten mit Materie interagieren, zeigen Neutrinos direkt zurück, woher sie kamen. Aber das ist ein zweischneidiges Schwert. Eine unvermeidbare Folge der Durchquerung des Universums, als ob es transparent wäre, ist, dass Neutrinos normalerweise auf die gleiche Weise – spurlos – durch Detektoren auf der Erde laufen.

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Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, ein Neutrino zu sehen, müssen Wissenschaftler gigantische Detektoren wie das IceCube-Experiment am Südpol bauen, das aus einem Kubikkilometer antarktischem Eis besteht, das mit einer Reihe optischer Sensoren ausgestattet ist. Als weltweit größtes Neutrino-Observatorium sucht IceCube nach Lichtblitzen, die von Schauern geladener Teilchen ausgehen, die entstehen, wenn Neutrinos mit Molekülen im Eis kollidieren. Im Jahr 2018 meldete IceCube ein Neutrino von einem riesigen aufflammenden Blazar. Und erst im Februar gab es Hinweise darauf, dass ein Neutrino eines Sterns von einem Schwarzen Loch auseinandergerissen wurde.

Bei den höchsten Energien geht „IceCube einfach der Dampf aus“, sagt Vieregg und merkt an, dass mindestens 100 Kubikkilometer Eis erforderlich wären, um eine vernünftige Chance zu haben, die optischen Spuren von Neutrinos mit ultrahoher Energie zu beobachten, da sich Teilchen auf solche beschleunigen extreme Geschwindigkeiten sind äußerst selten. Das Problem liegt im Abstand zwischen den Detektionseinheiten: Licht kann sich nur einige zehn Meter im Eis bewegen, bevor es gestreut oder absorbiert wird. Daher muss das optische Array dicht gepackt werden, wodurch die erreichbare Detektorgröße streng begrenzt wird.

Daher bleiben die Quellen für ultrahochenergetische Partikel unentdeckt, da ein Observatorium im IceCube-Stil von 100 Kubikkilometern die Grenzen der technischen und finanziellen Machbarkeit weit überschreitet. Bei ihrer Suche nach dem ersten ultrahochenergetischen Neutrino haben sich Astrophysiker stattdessen auf den wirtschaftlicheren Ansatz der Funkdetektion konzentriert. Radiowellen können sich im Eis Hunderte von Metern weiter ausbreiten als optisches Licht, so dass eine spärlichere Anordnung von Detektionseinheiten gebaut werden kann, um ein viel größeres Volumen zu einem Bruchteil der Kosten abzudecken.

“Radio ist die Zukunft”, sagt Tonia Venters, Astrophysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA. “Ich betrachte es als eine ergänzende Sonde mit dem Potenzial, das zu tun, was wir mit anderen Detektionstechniken als sehr herausfordernd empfinden.”

Neutrino-Radioemission

Die Funkemission geladener Teilchenduschen in Materialien wie Eis ist noch intensiver als optische Signale bei ultrahohen Energien, was es zu einer attraktiven Sonde für das extreme Universum macht. Dieses Phänomen ist als Askaryan-Effekt bekannt, nachdem der russisch-armenische Physiker Gurgen Askaryan es 1962 erstmals vorhergesagt hatte.

Frühe Versuche, den Askaryan-Effekt zu beobachten, blieben jedoch erfolglos, was zu einer weit verbreiteten Skepsis führte, dass er bei der Detektion von Teilchen mit ultrahoher Energie eingesetzt werden könnte. “Es gab viele Zweifel, ob dies ein wirklicher Effekt war”, sagt Peter Gorham, Astrophysiker an der Universität von Hawaii in Mānoa. “Nicht viele hochenergetische Teilchenphysiker haben das ernst genommen.”

Trotzdem beharrte ein kleines, aber belastbares Team von Physikern, und das Feld erreichte im Jahr 2000 einen Wendepunkt, als sie den Askaryan-Effekt auf der Rückseite eines Anhängers im Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) bestätigten.

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Jetzt, fast 60 Jahre nach Askaryans Vorhersage, hebt die Neutrinoerkennung im Funkregime gerade ab. “Die neue Physik, aus der dies hervorgehen könnte, ist nicht einmal etwas, von dem wir träumen können”, sagt Gorham, der Mitglied des Teams bei SLAC war. “Wir werden etwas über die Natur der kosmischen Beschleuniger lernen und Regionen des Energieraums beobachten, auf die wir auf keine andere Weise zugreifen können.”

Funkanstrengungen der nächsten Generation

Unter der Leitung von Gorham an der Universität von Hawaii in Mānoa war ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) eine Pionierarbeit in der Neutrino-Radioastronomie, die 2006 mit der Datenerfassung begann. Sie besteht aus einem fortlaufend aktualisierten Antennensatz, der unter einem riesigen Heliumballon, ANITA, angebracht ist führte vier ungefähr monatelange Beobachtungskampagnen über einen Zeitraum von 10 Jahren durch, wobei jedes Mal mehrere Kilometer in der Luft schwebten, um die Eisdecke der Antarktis unten auf Anzeichen von Funkemissionen durch ultrahochenergetische Neutrino-Streiks abzusuchen.

Im Januar finanzierte die NASA die Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO), ein Experiment der nächsten Generation, das auf dem Erbe von ANITA aufbauen wird. Ihre Höhenperspektive bietet Detektoren auf Ballonbasis wie ANITA und PUEO einen einzigartigen Vorteil gegenüber bodengestützten Experimenten, da sie bei ihrer Neutrino-Suche mehr als eine Million Quadratkilometer Eis überwachen können. Der erste Flug von PUEO wird für 2024 erwartet und wird mehrere technologische Fortschritte gegenüber ANITA beinhalten, um die Empfindlichkeit gegenüber mehr Energien zu erhöhen und die Neutrino-Ereignisrate zu erhöhen.

Das vergrößerte Sichtfeld, das durch die Suche mit dem Ballon geboten wird, wird jedoch durch die Tatsache ausgeglichen, dass die Antennenarrays, gerade weil sie so weit über dem Eis fliegen, möglicherweise keine Funkemissionen von schwächeren Neutrinosignalen erkennen können. Ein weiterer Nachteil ist die Realität des schwierigen Wetters: Schlechte Bedingungen stören regelmäßig jede Art von Ballonarbeit über der Eisdecke der Antarktis. Um diese Probleme anzugehen, verfolgen Astrophysiker einen „Best of Both Worlds“ -Ansatz und erstellen neue Radio-Arrays in großen Eismengen, die dann zusammen mit Experimenten mit Ballons für eine breitere Energiedeckung eingesetzt werden können. Vor einer Reihe kleinerer Anstrengungen bereiten sich die Forscher auf die Installation des Radio Neutrino Observatory in Grönland (RNO-G) vor, eines In-Ice-Experiments unter der Leitung der University of Chicago.

„RNO-G wird mit 35 in den nächsten drei Jahren installierten Antennenstationen der größte jemals in Eis gebaute Funkdetektor sein“, sagt Stephanie Wissel, Astrophysikerin an der Pennsylvania State University, die am Bau des Observatoriums beteiligt ist. Viele Forscher sind optimistisch, dass RNO-G bald einen ersten Blick in das extreme Universum mit dem ersten Nachweis eines ultrahochenergetischen Neutrinos ermöglichen wird.

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Wenn nicht, wird das In-Ice-Radio-Array-Konzept für die Verwendung in IceCubes vorgeschlagenem Nachfolger IceCube-Gen2 erweitert, der über 200 Antennenstationen verfügt, die ein verbessertes optisches System umgeben. „IceCube kann Neutrinos bis zu etwa 10 Peta-Elektronen-Volt sehen. Mit der zusätzlichen Funkkomponente werden es jedoch bis zu Tausenden oder sogar Hunderttausenden sein “, sagt Vieregg, Hauptforscher von PUEO und RNO-G. Diese erweiterte energetische Reichweite macht nur 10 Prozent des Gesamtbudgets von IceCube-Gen2 aus, ein eindrucksvoller Hinweis auf die Kosteneffizienz der Funkerkennung.

Eine neuere Erkennungsstrategie sucht nach Radiowellen aus Schauern geladener Teilchen in der Luft und nicht nach Eis. Ersteres resultiert aus der Wechselwirkung von Neutrinos unter der Erde nahe der Oberfläche unseres Planeten: Unter den richtigen Bedingungen können diese erdentfernenden Neutrinos energiereiche Partikel erzeugen, die in die Atmosphäre entweichen und in ausgedehnte, radioemittierende Luftduschen zerfallen.

Dies ist die Strategie für das Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND) – ein passender Name für ein Experiment von enormer Größe. Die internationale GRAND-Zusammenarbeit, die von Institutionen in Frankreich, China, den Niederlanden und Brasilien organisiert und finanziert wird, hofft, die Ursprünge der kosmischen Strahlung mit ultrahoher Energie mit einem ehrgeizigen Vorschlag für ein 200.000 Quadratkilometer großes Radio-Array (dh ein Array von etwa 200.000 Quadratkilometern) zu entdecken die Größe von Nebraska).

„Die Idee ist, nicht ein monolithisches Array, sondern 20 Arrays mit jeweils 10.000 Antennen zu bauen“, sagt Mauricio Bustamante, Astrophysiker an der Universität Kopenhagen, der den Vorschlag für GRAND mitverfasst hat. Die Standorte dieser Arrays sind wichtig, erklärt er, da sie sich in „funkstillen“ Bereichen befinden müssen – weit entfernt von künstlichen Quellen mit erheblicher Funkemission. Bis heute hat GRAND einige abgelegene Orte im zentralasiatischen Tian Shan-Gebirge identifiziert und plant, nach weiteren Standorten auf der ganzen Welt Ausschau zu halten.

Mit einer Vielzahl von Radioexperimenten der nächsten Generation auf dem Weg schwirrt die Astrophysik-Community vor Ideen darüber, was die Zukunft bringen könnte, nachdem endlich einer der energischsten und schwer fassbarsten Boten der Natur gefunden wurde. „Ich freue mich sehr auf die Entdeckung des ersten ultrahochenergetischen Neutrinos“, sagt Wissel. “Ich bin nicht sicher, welches Experiment es zuerst tun wird, aber es wird ein neues Fenster zum Universum mit viel Entdeckungspotential öffnen.”

Und für Wissenschaftler, die mit der Geschichte des Feldes vertraut sind, ist die Erforschung neuer kosmischer Grenzen eine Ode an die Vergangenheit: Die Physik blühte im 20. Jahrhundert auf, indem sie untersuchte, welche Teilchen vom Himmel kamen. “Es ist eine natürliche Wendung der Ereignisse, dass wir wieder zu kosmischen Beschleunigern zurückkehren, wenn wir mehr herausfinden wollen, als unsere eigenen Maschinen uns sagen können”, sagt Bustamante. “Das ist der ganze Zweck, die energiereichsten Teilchen unseres Universums zu untersuchen.”

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