Radio-Empfänger-Aufzeichnung Kosmische Strahlen, die Erde schlagen

Ein kleines Prototyp-Array in Deutschland hat mehrere Radioblitze von kosmischen Strahlen entdeckt, die in die obere Atmosphäre der Erde einschlugen. Ein größeres Array mit mehr dieser kostengünstigen Radioantennen könnte Astrophysikern helfen, das Geheimnis hinter den kosmischen Strahlen der höchsten Energie zu entschlüsseln.

Kosmische Strahlen sind subatomare Teilchen mit hoher Geschwindigkeit - meist Kerne und Protonen -, die sich in alle Richtungen durch den Raum ziehen. Zum Glück können sie nicht sehr weit in unsere Atmosphäre pflügen, bevor sie mit einem Gasmolekül kollidieren.

Aus diesen Kollisionen entstehen Schauer von Sekundärteilchen - einschließlich Elektronen, Antielektronen (Positronen) und Myonen, die wie schwere Elektronen sind. Kosmische Strahlen können durch die von ihnen erzeugten Schauer charakterisiert werden.

Überraschenderweise haben einige dieser Weltraumfluggeschosse 100 Millionen Mal mehr Energie, als in künstlichen Beschleunigern möglich ist. Es gibt keine "kosmischen Beschleuniger" in unserer galaktischen Nachbarschaft, die stark genug scheinen, um Teilchen mit so viel Energie zu erzeugen.

Diese sogenannten ultrahohen kosmischen Strahlen (UHECRs) kommen daher vermutlich von kollidierenden Galaxien oder großen Schwarzen Löchern in hunderten von Millionen Lichtjahren Entfernung. Aber das wirft ein Problem auf: Das kosmische "Zeug" auf dem Weg wird die hochenergetischen Teilchen, die diese großen Entfernungen zurücklegen, verlangsamen oder sogar zerstören.

Zu diesem Dilemma kommt hinzu, dass niemand die wahre Identität von UHECRs kennt. Die üblichen Verdächtigen sind Protonen, schwere Kerne wie Eisen, Gammastrahlen und schwach wechselwirkende Neutrinos.

Das Auffinden des Ursprungs und der Natur von UHECRs ist Teil des Impulses des LOPES (LOFAR Prototype Station) -Experiments. Diese Anordnung von 10 kostengünstigen Radioantennen fängt die von den Elektronen und Positronen einer Dusche emittierten Blitze ein, wenn sie mit dem Erdmagnetfeld interagieren. Je mehr Energie in der anfänglichen kosmischen Strahlung, desto mehr Radioemission.

"Es ist erstaunlich, dass wir mit einfachen UKW-Radioantennen die Energie von Teilchen messen können, die aus dem Kosmos kommen", sagte Heino Falcke, Sprecher der LOPES-Kollaboration. "Wenn wir empfindliche Funkaugen hätten, würden wir den Himmel mit Radiowellen funkeln sehen."

Eigentlich müssten unsere Augen auch sehr schnell sein, da das Funkgerät nur ein paar Milliardstel Sekunden lang platzt. Aber während dieser kurzen Zeit sind sie die hellsten Punkte im Radiohimmel. LOPES nimmt die Blitze zwischen 43 und 73 MHz auf - knapp unter dem FM-Rad.

LOPES hat noch keine Blitze von UHECRs entdeckt. Um dies zu tun, würde wahrscheinlich ein größerer Satz von Detektoren benötigt werden, da ein Quadratkilometer der Erdatmosphäre nur einmal pro Jahrhundert von einer UHECR getroffen wird. Größere Radio-Arrays wie das Low-Frequency-Array (LOFAR) und das Square Kilometre Array (SKA) befinden sich derzeit in der Entwicklung.

Aber LOPES hat beim Kalibrieren der Radioblitze geholfen. Dies liegt daran, dass es sich im Inneren des KASCADE-Experiments (Karlsuhe Shower Core and Array Detector) befindet, das die Anzahl der Myonen misst, die von kosmischen Strahlenduschen herunterregnen.

"Dies ist in der Tat eine ungewöhnliche Kombination, bei der Kernphysiker und Radioastronomen zusammenarbeiten, um ein einzigartiges und höchst originelles Astroteilchenphysik-Experiment zu erstellen", sagte Anton Zensus vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Durch den Vergleich des Radioblitzes mit der Myonenzahl hoffen die Wissenschaftler schließlich herauszufinden, welche der vermuteten Teilchen UHECRs bilden. Für ein gegebenes Funksignal würde beispielsweise ein Proton viel mehr Myonen erzeugen als ein Gammastrahl.

Die Ergebnisse sind in der Ausgabe der Zeitschrift vom 19. Mai ausführlich beschrieben Natur.