Der Beginn der Multi-Messenger-Astronomie
Lassen sich mindestens zwei dieser grundverschiedenen Signale von Himmelsquellen nachweisen, sprechen Wissenschaftler von Multi-Messenger-Astronomie (englisch für »viele Boten«). Eine solche Kombination verspricht neue Einsichten in bekannte Phänomene und die Entdeckung noch gänzlich unbekannter beziehungsweise allenfalls theoretisch vorausgesagter Quellen. Damit eröffnen sich neue Fenster zum Kosmos. Es ist, als würde man bestimmte Ereignisse erstmals zugleich sehen und hören oder sehen und riechen können. Teilweise sind solche Mehrfachsinne die einzige Möglichkeit, bestimmte Geheimnisse des Universums zu enträtseln.
Penetrante Partikelspucker: Blazare sind Aktive Galaxien mit einem zentralen Schwarzen Loch, das große Mengen Materie verschlingt. Dabei entstehen in seiner Umgebung zwei durch starke Magnetfelder gebündelte Teilchenströme. Auch Neutrinos und Gammastrahlen schießen von dort aus weit in den Weltraum. [Illustration: M. Weiss, CfA]
Angefangen hat die Multi-Messenger-Astronomie 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. Diese Kräuselungen der Raumzeit werden erst seit wenigen Jahren gemessen; und gerade im Dezember wurden vier neue Entdeckungen und der erste Gravitationswellen-Katalog publiziert.
Zehnmal sind nun Verschmelzungen Schwarzer Löcher registriert worden – doch diese Ereignisse hatten keine Gegenstücke in den weiteren kosmischen Informationskanälen. Anders war das bei der Karambolage der beiden ultrakompakten Sternleichen am 17. August 2017 im Sternbild Wasserschlange. Sie sorgten für die bislang größte Beobachtungskampagne in der Geschichte der Astronomie. Die mehrere Dutzend bereits im Oktober 2017 erschienenen Fachartikel markieren den eigentlichen Anfang der Multi-Messenger-Astronomie.
Menschheitsprojekte
Nicht weniger spektakulär ist ein zweites Ereignis, das nur fünf Wochen nach der Neutronenstern-Kollision für Aufmerksamkeit sorgte. Es ist ebenfalls ein Multi-Messenger-Paradebeispiel und eröffnet ein neues Kapitel der Neutrino- und Gammaastronomie. Darüber hat nach monatelangen Analysen ein großes internationales Forscherteam im Juli 2018 berichtet und seither noch weitere Daten ausgewertet. Anlass war aber nicht der brachiale Augenblick einer kaum vorstellbaren kosmischen Katastrophe, sondern die Detektion eines einzigen Teilchens, das auf langwierige Prozesse hinweist. Dahinter stecken ebenfalls ungeheure Energiemengen, doch die Mechanismen sind vollkommen anders (mehr dazu im Artikel Intergalaktischer Paarlauf in diesem PERRY RHODAN-Journal).
»Die Ära der Multi-Messenger-Astrophysik hat begonnen«, kommentierte die Astrophysikerin France A. Córdova diesen Erfolg. Sie ist Direktorin der National Science Foundation, der wichtigsten staatlichen Behörde zur Förderung der Wissenschaften in den USA. »Solche Durchbrüche sind nur möglich bei einer langfristigen Verpflichtung für Grundlagenforschung und Investitionen in überragende Forschungsanlagen.«
Es ist fraglich, ob im heutigen politischen Klima ihres Landes noch Pionierprojekte wie IceCube oder der Gravitationswellen-Detektor LIGO finanziert würden. Dabei verschieben sie die Erkenntnisgrenzen für immer und sind hinsichtlich der multinationalen Beteiligungen wahre Menschheitsprojekte.
Kosmische Erkenntnisse durch internationale Observatorien
Dies gilt gleichermaßen für andere Observatorien, die völlig neue Fenster zum Universum aufstoßen. Im letzten Dezember hat das rund 1500-köpfige Forscherteam von LIGO und Virgo die Entdeckung von vier neuen Gravitationswellen-Signalen bekannt gegeben. Nun beginnen die kilometergroßen Laser-Interferometer mit noch empfindlicheren Messungen. Im Herbst soll sich ihnen der japanische KAGRA-Detektor anschließen; eine weitere LIGO-Anlage wird gegenwärtig in Indien vorbereitet. Zudem wurden letzten Oktober auf einer Konferenz des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam Pläne für die nächste Generation von Gravitationswellen-Detektoren auf der Erde diskutiert. Könnten in Europa das Einstein-Teleskop und in den USA der Cosmic Explorer realisiert werden, ließe sich das Suchvolumen auf fast das ganze beobachtbare Universum ausweiten. Das geht allerdings nur in enger internationaler Zusammenarbeit.
Dies gilt auch für ein weltweites Neutrino-Observatorium, über dessen Plan Elisa Resconi, Professorin an der Technischen Universität München, im selben Monat auf einer Konferenz auf La Palma begeistert berichtet hat. Dabei sollen Detektoren an vielen Orten im Meer versenkt werden, um dort Tscherenkow-Strahlung als Sekundäreffekt von Neutrinos zu erhaschen. Auch der IceCube-Detektor am Südpol wird, wenn die Finanzierung gelingt, in einigen Jahren um den Faktor zehn in seinem Volumen erweitert werden.
Bereits im Bau befindet sich das CTA-Observatorium für die energiereichsten Gammastrahlen aus dem All (Cherenkov Telescope Array). Dabei kooperieren Forschungsinstitute und Förderagenturen aus 31 Ländern. Geplant ist ein Verbund von insgesamt 118 jeweils vier bis 23 Meter großen Teleskopen sowohl auf La Palma als auch in Chile, die den gesamten Himmel bei Energien von 20 bis 300.000 Gigaelektronenvolt ins Visier nehmen sollen. Das erste Teleskop wurde bereits im Oktober 2018 eingeweiht und wird gegenwärtig intensiv getestet.
Die Wissenschaft beweist, wie internationale Anstrengungen bei gemeinsamen Zielen zu konstruktiver Kooperation und letztlich großartigen Erfolgen führen. Wir leben alle auf demselben Planeten. Globale Probleme lassen sich daher nur global lösen. Das gilt erst recht für die Suche nach kosmischen Erkenntnissen.
Himmelsforschung mit einer Mülltonne
Was Überlichtgeschwindigkeit mit der Gammastrahlen- und Neutrino-Astronomie zu tun hat
Von Rüdiger Vaas
Im Jahr 1934 sagte der sowjetische Physiker Pawel Tscherenkow voraus, dass Teilchen, die sich in einem Medium wie Luft oder Wasser schneller als das Licht bewegen, eine schwache Strahlung aussenden – dafür erhielt er 1958 den Physik-Nobelpreis. Dieses bläuliche Licht wird ihm zu Ehren als Tscherenkow-Strahlung bezeichnet. Es ist zuweilen sogar mit bloßem Auge sichtbar: beispielsweise in Abklingbecken von Kernreaktoren, ausgelöst von der Radioaktivität nuklearer Brennstäbe.
Das einem Überschallknall vergleichbare Phänomen widerspricht nicht Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie, wonach sich Materie nie überlichtschnell bewegen kann. Denn deren Grenzgeschwindigkeit bezieht sich auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde) – in Materie ist Licht langsamer und lässt sich deshalb sogar überholen, etwa von rasanten Elektronen.
Improvisierte Initiation: Mit diesem Spiegel in einem Mülleimer begann 1952 die Tscherenkow-Astronomie. [CERN Courier, G. Hallewell]
Tscherenkow-Strahlung entsteht auch in der Erdatmosphäre, ausgelöst durch Partikel der Kosmischen Strahlung sowie durch Gammaquanten, die millionenfach energiereicher als sichtbares Licht sind. Treffen sie einen Atomkern in der Luft, entsteht eine Kaskade Tausender von Sekundärteilchen, die Tscherenkow-Strahlung emittieren können.
Warum es nachts nie ganz dunkel ist
Sogar ein kleiner Teil der natürlichen Helligkeit des Nachthimmels stammt von solchen bläulichen Lichtblitzen, sagte der Physik-Nobelpreisträger Patrick Blackett im Jahr 1947 vorher. Daraufhin begannen William Galbraith und John Jelley, dies zu überprüfen: Auf einem Feld bei Harwell, einem Dorf in Südengland, stellten die beiden jungen britischen Physiker im September 1952 eine innen schwarz angemalte Mülltonne auf. Darin hatten sie einen 25-Zentimeter-Parabolspiegel eingebaut sowie eine Röhre, die das einfallende Licht verstärken sollte. Tatsächlich maßen sie ultrakurze Blitze im Minuten-Takt. Dass die Tscherenkow-Strahlung immer dann aufleuchtete, wenn auch