Pierre-Auger-Observatorium – Astronomie bei höchsten Energien

Das Weltall lässt tagtäglich eines der größten Rätsel der Astrophysik auf die Erdatmosphäre einprasseln: die kosmische Strahlung. Dabei handelt es sich um geladene Teilchen höchster Geschwindigkeit. Die energiereichsten unter ihnen werden von natürlichen Prozessen im Universum beschleunigt, die die Leistungsfähigkeit aller irdischen Teilchenbeschleuniger bei Weitem übersteigen. Woher sie kommen und welcher Mechanismus ihnen so hohe Energien verleiht, ist bislang nicht bekannt. Das Pierre-Auger-Observatorium ist das weltweit führende Experiment zur Messung der energiereichsten Bestandteile dieser kosmischen Strahlung: Auf dreitausend Quadratkilometern in der argentinischen Pampa fangen 1660 Wasser-Tscherenkow-Detektoren und 27 Fluoreszenzteleskope ihre Signale auf und sollen so die Frage nach ihren bislang unbekannten Quellen beantworten.

Ein runder, gelblicher Tank, groß wie ein PKW, steht mitten in der argentinischen Pampa, nahe der Kleinstadt Malargüe in der Provinz Mendoza. Anderthalb Kilometer muss man laufen, um den nächsten zu erreichen – und das geht über dreitausend Quadratkilometer in alle Himmelsrichtungen auch so weiter. Auf dieser Fläche sind insgesamt 1660 dieser sogenannten Wasser-Tscherenkow-Detektoren verteilt. An vier Stellen wird das Beobachtungsfeld zusätzlich von insgesamt 27 Fluoreszenzteleskopen flankiert. Zusammen mit den Wassertanks bilden sie das Pierre-Auger-Observatorium, das eines der derzeit größten Rätsel der Astrophysik lösen soll: Woher kommt die kosmische Strahlung?

Eine Landkarte zeigt die Ausmaße des Pierre-Auger-Observatoriums und der Wasser-Tscherenkow-Detektoren anhand von Detektoren. An vier Punkten an den Rändern wird dieses Detektorfeld von zusätzlichen Fluoreszenzteleskopen flankiert.
Das Pierre-Auger-Observatorium auf der Landkarte

Dabei handelt es sich um einen Strom hochenergetischer geladener Teilchen, hauptsächlich um Protonen, also die Atomkerne des Wasserstoffs, und leichte bis mittelschwere Atomkerne wie die von Kohlenstoff oder Stickstoff. Aber im Gegensatz zu Licht, das, einmal von seiner Quelle ausgesendet, den Kosmos praktisch geradlinig durchquert und deshalb leicht zu seinen Quellen zurückverfolgt werden kann, werden die geladenen Teilchen auf ihrer Reise durchs All in kosmischen Magnetfeldern stark abgelenkt. Die Richtung, mit der sie auf die Erde treffen, hat mit der Richtung zu ihrem Entstehungsort nichts mehr gemeinsam – ein einfacher Rückschluss auf ihre Quelle ist somit unmöglich.

Dazu kommt noch eine weitere Herausforderung, was die Beobachtung der kosmischen Strahlung angeht: Sie selbst dringt gar nicht bis zum Erdboden vor. Stattdessen stoßen die hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Atomkerne der Erdatmosphäre. Bei diesen Kollisionen zerplatzen die ursprünglichen Teilchen und lassen einen Teilchenschauer aus Sekundärteilchen entstehen. Dies sind meist Elektronen und ihre schweren Geschwister, die „Myonen“. Diese Sekundärteilchen sind es, die in den Wassertanks ihre Spuren hinterlassen. Ein einzelner Teilchenschauer fächert sich dabei so auf, dass er die Erdoberfläche über ein mehrere Quadratkilometer großes Gebiet verstreut erreicht und von mehreren Detektorstationen gleichzeitig erfasst wird. Die Gesamtfläche des Beobachtungsfelds bei Malargüe übertrifft die Größe des Saarlandes, damit möglichst viele dieser Schauer aufgefangen werden können.

Die Spur der Primärteilchen verfolgen

Zwei Menschen arbeiten an einem der Wassertanks. In Hintergrund ein Gebäude, am Horizont Berge.
Ein Wasser-Tscherenkow-Detektor

Hier kommen die Wasser-Tscherenkow-Detektoren und die Fluoreszenzteleskope des Pierre-Auger-Observatoriums ins Spiel: Durchqueren die Sekundärteilchen die Wassertanks, erzeugen sie aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeiten bläuliche Lichtblitze, das sogenannte Tscherenkow-Licht, das mit empfindlichen Lichtsensoren aufgezeichnet wird. Je nachdem, aus welcher Richtung das ursprüngliche Teilchen die Erdatmosphäre erreicht hat, sprechen die einzelnen Tanks um Millisekunden verzögert an. Und wie stark und wie viele Tanks überhaupt aufblitzen, ist ein Maß für die Energie des kosmischen Primärteilchens. Pro Minute spürt das Observatorium im Mittel drei solcher Ereignisse auf.

Zusätzlich regen die geladenen Sekundärteilchen die Stickstoffmoleküle in der Atmosphäre zum Leuchten an. Die Fluoreszenzteleskope können dieses schwache Leuchten in mondlosen Nächten einfangen. Da sein Höhenprofil – also wo genau es in der Atmosphäre erzeugt wird – von der Zusammensetzung und Energie der Primärteilchen abhängt, liefern die Fluoreszenzteleskope so von den Wasser-Tscherenkow-Detektoren unabhängige, zusätzliche Informationen über die Art der kosmischen Strahlung. Die Wassertanks beobachten rund um die Uhr.

Deutscher Beitrag zum Pierre-Auger-Observatorium

Ein eingeschossiges Gebäude mit mehreckigem Grundriss. Drei geöffnete Wände geben den Blick für drei Teleskope frei.
Teleskopgebäude bei Los Leones

Das Observatorium ist nach einem Pionier der Erforschung der kosmischen Strahlung benannt: dem französischen Physiker Pierre Victor Auger (1899–1993). Es wurde ab 2004 aufgebaut und ist seit 2008 im wissenschaftlichen Routinebetrieb. Das Detektorfeld ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt: Insgesamt sind etwa 450 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 17 Ländern daran beteiligt – rund hundert von ihnen arbeiten an insgesamt acht Instituten aus Deutschland.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat den Bau und die Beteiligung deutscher Forschungsgruppen am Observatorium mit Mitteln der Verbundforschung mitfinanziert: Im Förderzeitraum 2011–2017 belaufen sich die zur Verfügung stehenden Mittel auf rund  8,3 Millionen Euro. Die deutschen Institute beteiligen sich innerhalb des Konsortiums am laufenden Betrieb und der Weiterentwicklung des Observatoriums sowie an Datenanalyse und -auswertung. Das institutionell geförderte Karlsruher Institut für Technologie (KIT) übernimmt zudem die Verwaltung.

Eine Drahtkonstruktion rund um eine zentrale Stange, daneben eine Solarzelle.
Eine Antenne auf dem AERA-Messfeld

Besonders zu erwähnen sind dabei auch die Synergieeffekte mit anderen Forschungsinfrastrukturen wie dem Radiointerferometer LOFAR. Auch am Pierre-Auger-Observatorium gibt es Radioantennen: das Antennensystem AERA. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erkunden hier, inwieweit sich die Teilchenschauer auch im Radiobereich des elektromagnetischen Spektrums nachweisen lassen – und stehen dabei mit den Kollegen bei LOFAR in regem fachlichem Austausch. Ähnliche Zusammenarbeiten gibt es auch bei der Erforschung der Neutrinos, etwa mit IceCube in der Antarktis.

Hintergrundstrahlung oder kosmische Teilchenbeschleuniger?

Das Pierre-Auger-Observatorium ist weltweit führend bei der Beobachtung der kosmischen Strahlung mit höchster Energie – jener Teilchen mit Energien von 1018 bis zu 1020 Elektronenvolt. Das sind Energien, die hundert Millionen Mal größer sind als die Maximalenergie, mit der der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN, Teilchen beschleunigen kann.

Eins der 27 Teleskope mit rund 12 Quadratmeter Spiegelfläche und einer Photomultiplier-Kamera mit 440 Photovervielfacher-Röhren. Im Hintergrund sieht man ein zweites Teleskop, das dreißig Grad weiter links in den Himmel schaut.
Der Spiegel eines Fluoreszenzteleskops

Allerdings: Ab 1020 Elektronenvolt ist auch bei der kosmischen Strahlung Schluss. Mit noch mehr Energie sind praktisch keine Ereignisse mehr zu verzeichnen. Wo genau diese Obergrenze liegt, könnte erklären, wie die Teilchen überhaupt auf die hohen Energien beschleunigt werden. Nach einem Modell bremsen die Lichtteilchen der Hintergrundstrahlung, die das ganze All erfüllt, die kosmische Strahlung bis auf eine Höchstenergie ab. Die andere Möglichkeit ist, dass die gigantischen Teilchenbeschleuniger im Weltraum, die die Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigen, selbst an ihre Grenzen stoßen. Die zur Teilchenbeschleunigung erforderlichen Bedingungen herrschen in beiden Fällen nur in exotischen Umgebungen, beispielsweise nahe von extrem massereichen Schwarzen Löchern in aktiven galaktischen Kernen.

Die bisherigen Messungen des Pierre-Auger-Observatoriums lieferten Daten, die die Entscheidung zwischen beiden Modellen wieder offen erscheinen lassen. Zuvor bevorzugten die Forscherinnen und Forscher das Abbremsungsmodell, bei dem hauptsächlich Protonen, also Wasserstoffkerne vorkommen würden. Doch die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung deutet auf die begrenzte Beschleunigungsfähigkeit der kosmischen Teilchenbeschleuniger hin: Bei höchsten Energien sind mehr schwerere Atomkerne als Wasserstoffkerne zu finden – und erstere werden im gleichen Beschleuniger auf höhere Energien gebracht.

AugerPrime: Erweiterung mit Szintillationsdetektoren

Im Vordergrund befindet sich ein zylinderförmiger, beiger Wassertank mit einem Aufsatz, an dem Wissenschaftler arbeiten. Daneben ist ein Auto geparkt. Am Horizont sind in der ferne Berge auszumachen.
Ein Szintillationsdetektor wird in Betrieb genommen

Hier soll die sich derzeit im Bau befindliche Erweiterung des Pierre-Auger-Observatoriums aufklären: Für „AugerPrime“ sollen alle 1660 Wasser-Tscherenkow-Detektoren zusätzlich mit Szintillationsdetektoren ausgestattet werden. Denn während die Wassertanks allein keine Aufschlüsse über die Art der sie durchquerenden Teilchen erlauben und die Fluoreszenzteleskope nur in dunklen Nächten einsetzbar sind – was auf lediglich 13 Prozent der Beobachtungszeit zutrifft – reagieren die Szintillationsdetektoren besonders empfindlich auf Elektronen. Im Zusammenspiel mit den Wasser-Tscherenkow-Detektoren, welche besonders auf Myonen empfindlich sind, ermöglichen sie es, das Verhältnis von Elektronen und Myonen zu bestimmen, und dieses wiederum hängt von der Masse des kosmischen Strahlungsteilchens ab.

Genauere Daten zum Massenverhältnis der kosmischen Strahlung bei den höchsten Energien sollen dazu beitragen, diese fundamentalen Fragen der Astrophysik zu beantworten. Die Baukosten für die Erweiterung betragen dabei rund 13 Millionen Euro, sie werden vom Bundesforschungsministerium mit zwei Millionen Euro unterstützt. In Deutschland trägt zusätzlich die Helmholtz-Gemeinschaft über das Karlsruher Institut für Technologie zu AugerPrime bei; die übrigen Kosten werden von den beteiligten Partnerländern übernommen.

Steckbrief Pierre-Auger-Observatorium

Typ:

Detektorfeld zur Untersuchung der höchstenergetischen kosmischen Strahlung

Technologie:

Fluoreszenzteleskope und Wasser-Tscherenkow-Detektoren

Standort:

Malargüe, Provinz Mendoza, Argentinien

Betreiber:

Pierre-Auger-Kollaboration

Baukosten:

43 Millionen Euro

Deutsche Beteiligung:

8,3 Millionen Euro (Verbundforschung des BMBF 2011-2017)

Inbetriebnahme:

Teilinbetriebnahme ab 2005, Fertigstellung 2008

Fläche des Detektorfeldes:

3000 Quadratkilometer

Anzahl Wasser-Tscherenkow-Detektoren:

1660, aufgestellt mit je 1500 Metern Abstand

Energiebereich:

1017 bis 1021 Elektronenvolt

Anzahl Fluoreszenzteleskope:

27 Teleskope an vier Standorten an den Rändern des Detektorfeldes


Wellenlänge für die Fluoreszenzteleskope:

330 bis 380 Nanometer (naher UV-Bereich)

Erweiterung:

AugerPrime

Umfang der Erweiterung:

Ausrüstung der Wasser-Tscherenkow-Detektoren mit großflächigen Szintillationsdetektoren

Kosten der Erweiterung:

13 Millionen Euro

Geplante Inbetriebnahme von AugerPrime:

Ende 2018 (Beginn Messbetrieb ab 2025)

Deutsche Finanzierung von AugerPrime:

2 Millionen Euro

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF

Beteiligte deutsche Institute:

RWTH Aachen, Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Bonn), Universität Hamburg, Karlsruher Institut für Technologie, Universität Siegen, Bergische Universität Wuppertal

Beteiligte Länder:

17: Argentinien, Australien, Belgien, Brasilien, Deutschland, Frankreich, Italien, Kolumbien, Mexiko, Niederlande, Polen, Portugal, Rumänien, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, USA