Niederfrequenter Funkhimmel zum Zeitpunkt eines kosmischen Strahlentreffers. Bildnachweis: MPIFR. Klicken um zu vergrößern.
Mit dem LOPES-Experiment hat ein Prototyp des neuen High-Tech-Radioteleskops LOFAR zur Detektion von kosmischen Strahlungsteilchen mit ultrahoher Energie eine Gruppe von Astrophysikern in Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft die hellsten und schnellsten aufgezeichnet Radiostrahlen, die jemals am Himmel gesehen wurden. Die Explosionen, über deren Entdeckung in der dieswöchigen Ausgabe der Zeitschrift Nature berichtet wird, sind dramatische Radioblitze, die mehr als 1000-mal heller als die Sonne und fast eine Million Mal schneller als normale Blitze erscheinen. Für einen sehr kurzen Moment werden diese Blitze - die bisher weitgehend unbemerkt geblieben waren - zum hellsten Licht am Himmel mit einem Durchmesser, der doppelt so groß ist wie der Mond.
Das Experiment zeigte, dass die Funkblitze in der Erdatmosphäre erzeugt werden, verursacht durch den Aufprall der energiereichsten Teilchen, die im Kosmos produziert werden. Diese Teilchen werden als kosmische Strahlen mit ultrahoher Energie bezeichnet und ihre Entstehung ist ein fortwährendes Rätsel. Die Astrophysiker hoffen nun, dass ihre Entdeckung das Geheimnis dieser Teilchen neu beleuchten wird.
Die Wissenschaftler verwendeten eine Reihe von Funkantennen und die große Anzahl von Teilchendetektoren des KASCADE-Grande-Experiments am Forschungszentrum Karlsruhe. Sie zeigten, dass jedes Mal, wenn ein sehr energetisches kosmisches Teilchen auf die Erdatmosphäre traf, ein entsprechender Funkimpuls aus der Richtung des einfallenden Teilchens aufgezeichnet wurde. Unter Verwendung von Bildgebungstechniken aus der Radioastronomie produzierte die Gruppe sogar digitale Filmsequenzen dieser Ereignisse und lieferte die schnellsten Filme, die jemals in der Radioastronomie produziert wurden. Die Teilchendetektoren versorgten sie mit grundlegenden Informationen über die einfallenden kosmischen Strahlen.
Die Forscher konnten zeigen, dass die Stärke des emittierten Funksignals ein direktes Maß für die Energie der kosmischen Strahlung ist. „Es ist erstaunlich, dass wir mit einfachen FM-Radioantennen die Energie von Partikeln aus dem Kosmos messen können“, sagt Prof. Heino Falcke von der niederländischen Stiftung für Astronomieforschung (ASTRON), der Sprecher der LOPES-Zusammenarbeit. „Wenn wir empfindliche Funkaugen hätten, würden wir den Himmel mit Funkblitzen funkeln sehen“, fügt er hinzu.
Die Wissenschaftler verwendeten Antennenpaare, die denen gewöhnlicher FM-Radioempfänger ähneln. „Der Hauptunterschied zu normalen Radios besteht in der digitalen Elektronik und den Breitbandempfängern, mit denen wir viele Frequenzen gleichzeitig hören können“, erklärt Dipl.-Ing. Phys. Andreas Horneffer, Doktorand der Universität Bonn und der Internationalen Max-Planck-Forschungsschule (IMPRS), installierte die Antennen im Rahmen seines Promotionsprojekts.
Im Prinzip sind einige der erkannten Radioblitze tatsächlich stark genug, um den herkömmlichen Radio- oder Fernsehempfang für kurze Zeit auszulöschen. Um diesen Effekt zu demonstrieren, hat die Gruppe ihren Funkempfang eines kosmischen Strahlenereignisses in eine Tonspur umgewandelt (siehe unten). Da die Blitze jedoch nur etwa 20 bis 30 Nanosekunden dauern und helle Signale nur einmal am Tag auftreten, sind sie im Alltag kaum erkennbar.
Das Experiment zeigte auch, dass die Funkemission in Bezug auf die Ausrichtung des Erdmagnetfelds unterschiedlich stark war. Diese und andere Ergebnisse bestätigten grundlegende Vorhersagen, die Prof. Falcke und sein ehemaliger Doktorand Tim Huege zuvor in theoretischen Berechnungen getroffen hatten, sowie Berechnungen von Prof. Peter Gorham von der Universität von Hawaii.
Kosmische Strahlenteilchen bombardieren ständig die Erde und verursachen kleine Explosionen von Elementarteilchen, die einen Materiestrahl bilden, und Antimaterieteilchen, die durch die Atmosphäre strömen. Die leichtesten geladenen Teilchen, Elektronen und Positronen in diesem Strahl werden vom Erdmagnetfeld der Erde abgelenkt, wodurch sie Funkemissionen emittieren. Diese Art von Strahlung ist aus Teilchenbeschleunigern auf der Erde bekannt und wird als Synchrotronstrahlung bezeichnet. In Analogie sprechen die Astrophysiker jetzt aufgrund der Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld von „Geosynchrotron“ -Strahlung.
Die Funkblitze wurden von den LOPES-Antennen erfasst, die beim Luftduschexperiment mit kosmischer Strahlung KASCADE-Grande im Forschungszentrum Karlsruhe installiert wurden. KASCADE-Grande ist ein führendes Experiment zur Messung der kosmischen Strahlung. „Dies zeigt die Stärke eines großen Astropartikelphysik-Experiments direkt in unserer Nachbarschaft - dies gab uns die Flexibilität, auch ungewöhnliche Ideen wie diese zu untersuchen“, sagt Dr. Andreas Haungs, Sprecher von KASCADE-Grande.
Das Radioteleskop LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) verwendet Prototypantennen des größten Radioteleskops der Welt, LOFAR, das nach 2006 in den Niederlanden und Teilen Deutschlands gebaut werden soll. LOFAR hat ein radikal neues Design, das eine Vielzahl billiger Niederfrequenzantennen kombiniert, die die Funksignale vom gesamten Himmel auf einmal sammeln. Ein Supercomputer, der über das Hochgeschwindigkeitsinternet verbunden ist, kann dann ungewöhnliche Signale erkennen und Bilder von interessanten Regionen am Himmel erstellen, ohne mechanische Teile zu bewegen. „LOPES hat bereits in der Entwicklungsphase die ersten wichtigen wissenschaftlichen Ergebnisse des LOFAR-Projekts erzielt. Dies macht uns zuversichtlich, dass LOFAR tatsächlich so revolutionär sein wird, wie wir es uns erhofft hatten. “ erklärt Prof. Harvey Butcher, Direktor der niederländischen Stiftung für astronomische Forschung (ASTRON) in Dwingeloo, Niederlande, wo LOFAR derzeit entwickelt wird.
„Dies ist in der Tat eine ungewöhnliche Kombination, bei der Kernphysiker und Radioastronomen zusammenarbeiten, um ein einzigartiges und höchst originelles Experiment der Astroteilchenphysik zu erstellen“, erklärt Dr. Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. „Es ebnet den Weg für neue Detektionsmechanismen in der Teilchenphysik und demonstriert die atemberaubenden Fähigkeiten der Teleskope der nächsten Generation wie LOFAR und später des Square Kilometer Array (SKA). Plötzlich kommen große internationale Experimente in verschiedenen Forschungsbereichen zusammen. “
Als nächsten Schritt wollen die Astrophysiker das kommende LOFAR-Array in den Niederlanden und in Deutschland für die Radioastronomie und die Erforschung der kosmischen Strahlung nutzen. Derzeit laufen Tests zur Integration der Funkantenne in das Pierre Auger-Observatorium für kosmische Strahlung in Argentinien und möglicherweise später in das zweite Auger-Observatorium auf der Nordhalbkugel. „Dies könnte ein großer Durchbruch in der Erkennungstechnologie sein. Wir hoffen, diese neuartige Technik zum Erkennen und Verstehen der Natur der kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie sowie zum Nachweis von Neutrinos mit ultrahoher Energie aus dem Kosmos verwenden zu können “, sagt Prof. Johannes Bl? Mer, Programmdirektor für Astroteilchenphysik der Helmholtz-Vereinigung und im Forschungszentrum Karlsruhe.
Die Entdeckung wurde teilweise von einer französischen Gruppe mit dem großen Radioteleskop des Pariser Observatoriums in Nanay bestätigt. Historisch gesehen wurde die Funkemission von kosmischer Strahlung erstmals Ende der 1960er Jahre mit den ersten Behauptungen über Entdeckungen durchgeführt. Mit der heutigen Technologie konnten jedoch keine nützlichen Informationen extrahiert werden, und die Arbeit wurde schnell eingestellt. Die Hauptmängel waren das Fehlen von Bildgebungsfunktionen (jetzt durch Software implementiert), die geringe Zeitauflösung und das Fehlen eines gut kalibrierten Partikeldetektorarrays. All dies wurde mit dem LOPES-Experiment überwunden.
Originalquelle: MPI-Pressemitteilung
