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Gigantische Versuchsanordnung im arktischen Eis findet Geisterteilchen

Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.  (c) Foto: IceCube Collaboration/NSF
Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.
(c) Foto: IceCube Collaboration/NSF

Darauf hat die IceCube-Kollaboration seit Jahren hingearbeitet. Nun deutet alles darauf hin, dass den Forschern im antarktischen Eis Neutrinos von außerhalb unseres Sonnensystems ins Netz gegangen sind. Unter den gefundenen Ereignissen befinden sich Neutrinos mit Energien, die tausendmal höher sind, als man sie auf der Erde selbst erzeugen kann. Diese kosmischen Neutrinos können einzigartige Informationen über den Aufbau von Supernovas, Gamma-Ray-Blitze oder Schwarzen Löchern liefern.

Das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ist weltweit einmalig. In einem Kubikkilometer Eis sind insgesamt 5.160 hochempfindliche Lichtsensoren installiert. Wenn doch mal ein Neutrino im Eis wechselwirkt, entstehen geladene Teilchen die mit nahezu Lichtgeschwindigkeiten weiterfliegen. Diese erzeugen ein schwaches bläuliches Licht, das von den Detektoren aufgefangen wird.

„Wir sehen hochenergetische Neutrinos, von denen wir jetzt mit ziemlicher Sicherheit sagen können, dass sie astrophysikalischen Ursprungs sind“, sagt Prof. Dr. Marek Kowalski vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. Neutrinos sind ganz besondere Teilchen: Sie können anders als elektromagnetische Strahlung sämtliche Materie durchdringen. Mit ihrer Hilfe lässt sich wie mit einem Röntgenapparat in die verstecktesten Winkel des Universums blicken. Allerdings wechselwirken diese Teilchen kaum und könnten selbst von einer Bleiabschirmung mit 1000 Kilometer Dicke nicht aufgehalten werden. Ihr Nachweis ist deshalb besonders schwierig. Mit der gigantischen Messeinrichtung „IceCube“ in der Antarktis sind nun dennoch zum ersten Mal Hinweise für hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall gefunden worden.

Die meisten Neutrinos auf der Erde entstehen bei niedrigen Energien durch Kernfusion in der Sonne, sie können sich aber auch in der Erdatmosphäre bilden. Die Forscher des IceCube Projektes interessieren sich aber besonders für hochenergetische Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen – zum Beispiel von Supernovas, Gamma-Ray-Blitzen oder galaktischen Schwarzen Löchern. Denn Neutrinos sind die einzigen Teilchen, die aus dem Inneren dieser Quellen entkommen können und damit einzigartige Informationen über ihren Aufbau liefern.

Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie

Gelungen ist der Nachweis der Neutrinos einem internationalen Team von rund 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren der IceCube-Kollaboration unter Beteiligung der Astroteilchen-Gruppe von Prof. Kowalski. Mit der gigantischen Versuchsanordnung im antarktischen Eis wurden in den vergangenen zwei Jahren insgesamt 28 Neutrinos mit Energien größer als 30 Tera-Elektronenvolt (TeV), darunter zwei Ereignisse mit über 1000 TeV registriert. Dieser Fund war für die Forscher so bedeutsam, dass die Teilchen sogar eigene Namen bekamen: Ernie & Bert – den beiden beliebten Figuren aus der Fernsehserie „Sesamstraße“.

Mit der verbesserten Analyse der Daten, die nun auch die Richtung der Neutrinos liefert, konnten nicht nur diese beiden, sondern ein Großteil dieser Teilchen als potentielle kosmische Fernreisende identifiziert werden. „Das ist der erste Hinweis auf hochenergetische Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen“, sagt Prof. Dr. Francis Halzen, Projektleiter des IceCube-Experiments von der Universität Wisconsin-Madison (USA). „Dies ist die Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie.“

Ein Rätsel bleiben jedoch noch die Quellen, aus denen die Neutrinos im Weltraum stammen. Eine Möglichkeit sind Supernovas, bei denen die hochenergetischen Teilchen freigesetzt werden. Das Bild, das sich aus dem IceCube-Experiment abzeichnet, stellt sich für die Wissenschaftler noch verschwommen dar. „Wir können die kosmischen Quellen der Teilchen noch nicht nachweisen, weil wir bislang nicht exakt genug bestimmen konnten, aus welcher Richtung die Neutrinos aus dem Weltall in das Eis eindringen“, erklärt Prof. Kowalski. Die Forscher hoffen darauf, demnächst noch mehr Teilchen nachzuweisen, damit sich die Quellen allmählich schärfer abzeichnen.

Publikation: Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector, Science, DOI: 10.1126/science.1242856

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Supernovae-Explosion: Wie das Weltall vermessen wird

NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory
NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Vom genauen Mechanismus hängt es ab, wie gut wir das Verhalten unseres Universums verstehen
Manche Sterne beenden ihr Dasein mit einem enormen Knall: Binnen Stunden steigern sie ihre Helligkeit um das Millionen- oder gar Milliardenfache und leuchten für einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie. Astronomen entdecken jedes Jahr mehrere hundert solcher Supernovae, die zumeist in entlegenen Winkeln des Universums aufleuchten.

Supernovae künden aber nicht nur vom gewaltsamen Ende eines Sterns, sondern erweisen sich auch als wichtige Hilfsmittel für die Vermessung des Weltalls. Denn ein spezieller Typ dieser Sternexplosionen, genannt Ia, erreicht stets die gleiche Maximalhelligkeit. Gelingt es, dieses Maximum zu beobachten, dann folgt aus der gemessenen Helligkeit der Supernova direkt ihre Entfernung. Denn so, wie der fernere zweier gleich heller Autoscheinwerfer einem Beobachter lichtschwächer erscheint, verhält es sich auch mit Supernovae: Je größer ihre Distanz zur Erde ist, umso weniger hell erscheinen sie.

Die Entfernungsbestimmung mit Supernovae vom Typ Ia klappt so gut, dass sie sich als Maßstab oder Standardkerze zur Auslotung des Universums verwenden lassen. Seit rund achtzig Jahren ist bekannt, dass sich das Weltall ausdehnt. Aber erst vor wenigen Jahren fanden die Astronomen heraus, dass sich diese Ausdehnung sogar beschleunigt– ein Befund, der sich anhand der Distanzen der Supernovae vom Typ Ia ergab. Um diese Beschleunigung zu erklären, mussten die Wissenschaftler die Existenz einer ominösen »Dunklen Energie« annehmen, die das Universum beschleunigt auseinandertreibt.

Wegen der kosmologischen Bedeutung dieses Supernova-Typs interessieren sich die Astronomen für die Ursachen und den Ablauf der Sternexplosionen. Zwei Arten von Explosionen sind bekannt, in denen jeweils so genannte Weiße Zwerge eine Rolle spielen. Weiße Zwerge bilden das Endstadium verbrauchter Sterne ähnlich unserer Sonne. Bei der einen Art saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Partnerstern ab. Er macht dies solange, bis er sich gewissermaßen überfressen hat und er von einer thermonuklearen Explosion zerrissen wird. Dies passiert stets mit der gleichen Maximalhelligkeit. Bei der anderen Art bilden zwei Weiße Zwerge ein Doppelsternpaar und verschmelzen schließlich, wobei es ebenfalls zur Supernovaexplosion kommt. Hier hängt die Maximalhelligkeit von der jeweiligen Masse der Weißen Zwerge ab. Die Astronomen besaßen Hinweise darauf, dass die erste Art deutlich häufiger vorkommt und sich Supernovae vom Typ Ia deshalb als Standardkerzen verwenden lassen.

Neue Untersuchungen von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München belegen nun, dass nur fünf Prozent aller Supernovaexplosionen vom Typ Ia in elliptischen Galaxien auf Materie aufsammelnde Weiße Zwerge zurückgehen. Offenbar geht der größte Teil der gewaltigen Sternexplosionen auf die Vereinigung zweier Weißer Zwerge zurück, wie der Physiker Jan Hattenbach im aktuellen Mai-Heft der Zeitschrift “Sterne und Weltraum” berichtet. Dieser Befund schränkt allerdings die Verwendung der Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen ein. Denn nun erwarten die Astronomen, dass die Maximalhelligkeiten wegen der unterschiedlichen Massen der Weißen Zwerge bei ihrer Verschmelzung unterschiedlich ausfallen. Spannend ist jetzt, wie sich diese Erkenntnis auf die Messung der beschleunigten Expansion des Raums auswirkt. Quelle: Sterne und Weltraum, Mai 2010 – Bild: Zwei weiße Zwerge, die sich zunehmend enger umkreisen, verschmelzen schließlich was eine Supernova-Explosion zur Folge hat. (c) NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Dramatische Sternenexplosion schleudert geheimnisvolle Strahlung ins All

Mehrere astronomische Experimente haben in jüngster Zeit mysteriöse Komponenten von Elementarteilchen im Universum gemessen. Doch der Ursprung der Elektronen und Positronen blieb bislang im Dunkeln. Ist wirklich, wie einige Physiker spekulieren, dunkle Materie die Ursache für diese Strahlung?

Ein internationales Astrophysikerteam um die Bochumer Juniorprofessorin Dr. Julia Becker und den Dortmunder Physiker Prof. Dr. Dr. Wolfgang Rhode haben jetzt eine einfache Erklärung gefunden:
Gigantische Sterne, mindestens fünfzehnmal so schwer wie unsere Sonne, senden bei ihrem Tod in einer finalen Explosion die Elementarteilchen aus.
Der auf Basis dieser Theorie berechnete Fluss an Elektronen und Positronen stimmt mit dem in den astronomischen Experimenten beobachteten und bislang rätselhaften Signal überein. Wie sie die Beobachtungen mit ihrer Theorie der schweren Sternexplosionen erklären, erläutert die sechsköpfige Gruppe von internationalen Forschern in der Physical Review Letters (Ausgabe 7. August 2009).

Elementarteilchen aus dem Universum

In mehreren astronomischen Experimenten wurde kürzlich von der Beobachtung einer mysteriösen Komponente von Elektronen und Positronen aus dem Universum berichtet. Die Quellen dieser Elementarteilchen kann von den Experimenten selbst nicht identifiziert werden: Kosmische Magnetfelder lenken sie von ihren Bahnen ab und verwischen ihre Spur. Seit der Veröffentlichung der Messungen wurden viele Versuche unternommen, den Ursprung dieser Teilchenstrahlung zu erklären. Unter anderem wurde die These aufgestellt, ein solches Signal sei einzig durch die so genannte dunkle Materie erklärbar – eine Materieart, deren Ursprung bisher noch völlig unbekannt ist. “Aber die Natur hat vielleicht eine viel einfachere Erklärung für die beobachteten Teilchen”, sagt Julia Becker, die mit einem Forscherteam von Instituten aus Deutschland, den USA und Schweden zusammenarbeitet. Das Team erklärt die Teilchenstrahlung mit Explosionen von gigantischen Sternen, die mehr als das 15-fache der Masse unserer Sonne besitzen.

Das dramatische Ableben der schwersten Sterne

Ein sterbender Stern mit hoher Masse schleudert die meiste Materie, Plasma genannt, in einer finalen Explosion von sich. Die Folge ist, dass das ausgestoßene Plasma unausweichlich auf die den Stern umgebende Materie zuläuft – den sog. Sternenwind. Dieser bildet sich um die massiven Sterne, da sie schon in einem früheren Stadium einen Teil ihrer Hülle abgeben, bevor sie in der letzten Explosion vergehen. “Bei der Kollision der schnellen Materie aus der finalen Explosion mit dem Plasma früherer Ausstoßungen entstehen dann sog. Schockfronten, ähnlich wie man sie etwa auch bei Überschallflugzeugen beobachten kann”, erklärt der Dortmunder Astrophysiker Wolfgang Rhode: “Fliegt ein Flugzeug schneller als der Schall, wird die das Flugzeug umgebende Luft mit einer Geschwindigkeit nach außen gedrängt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Es kommt zum Überschallknall, der sich in Form einer Schockfront ausbreitet.” Als Schockfront bezeichnet man die sprunghafte Änderung der Dichte des Mediums an sich – dort, wo das Flugzeug die Materie wegschiebt, entsteht eine hohe Dichte, während auf der anderen Seite des Schocks die niedrige Dichte der ungestörten Atmosphäre herrscht. Genau dasselbe geschieht, wenn ein Plasma mit hoher Geschwindigkeit in ein langsameres Plasma gedrückt wird, wie es bei den Explosionen der gigantischen Sternen der Fall ist.

Elektronen und Positronen aus schweren Sternexplosionen

Wie nun in den Schockfronten der schweren Sternexplosionen Elektronen und Positronen beschleunigt werden, erklären die Forscher in ihrem Artikel: Indem sich das Plasma seinen Weg durch den Sternenwind bahnt, entstehen zwei unterschiedliche Regionen, in welchen sich jeweils unterschiedliche Schocks bilden. Auf fast der gesamten Oberfläche sind die Magnetfelder des Sterns senkrecht zu der Geschwindigkeit der Schockfront ausgerichtet. Hier entsteht ein niederenergetisches Signal von Elektronen und Positronen. Gleichzeitig ist das Magnetfeld an den Polen des ehemals rotierenden Sterns parallel zur Geschwindigkeit des Schocks ausgerichtet. Hierdurch wird hochenergetische Elektronenstrahlung erzeugt. Beide Komponenten sind in dem beobachteten Spektrum der Elektronen und Positronen sichtbar und die Messungen können mit dem Modell des Forscherteams hervorragend erklärt werden. “Für die dunkle Materie heißt das, dass sie Elektronen und Positronen nicht in gleichem Maße produziert wie die Riesensterne und dass man sie daher an anderer Stelle suchen muss”, folgert Dr. Becker. Quelle: idw