• Forscherin Dr. Alison Mitchell und ihr Team erforschen die Rolle von Pulsaren für kosmische Strahlungen
  • Das Projekt ist auf 6 Jahre ausgelegt und wird mit fast 1,5 Millionen gefördert
  • Mithilfe von gigantischen Teleskopen dient die irdische Atmosphäre als Detektor

Das Weltall, unendliche Weiten. Bis zum heutigen Tage gilt der Weltraum als am wenigsten erforscht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben zwar eine Vorstellung, welche Rolle unser Planet im Sonnensystem inne hat, trotzdem werden einige Geheimnisse auf absehbare Zeit ungelöst bleiben. 

Suche nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung: FAU-Forschungsgruppe startet Projekt

Der Lösung eines dieser Mysterien hat sich die Wissenschaftlerin Dr. Alison Mitchell auf die Fahnen geschrieben. Und zwar dem experimentellen Nachweis von kosmischer Strahlung durch hochenergetische Gammastrahlung. Das Ganze soll aus der Umgebung von sogenannten Pulsaren, also schnell rotierenden Neutronensternen, passieren. Dafür hat Mitchell kürzlich von der ETH Zürich an die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gewechselt. Der Nachweis der kosmischen Strahlung „wäre für mich die Erfüllung eines Traumes“, sagt Dr. Alison Mitchell. 

Gemeinsam mit einer neu gebildeten FAU-Projektgruppe, der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe, wird Mitchell ab Oktober am Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) die Rolle von Pulsaren bei der Entstehung der galaktischen, hochenergetischen kosmischen Strahlung untersuchen. Das Projekt ist auf sechs Jahre ausgelegt und wird mit rund 1,5 Millionen Euro gefördert. Die von Mitchell untersuchte Strahlung entsteht innerhalb unserer Galaxie, der Milchstraße. Sie besteht hauptsächlich aus „geladenen“ Teilchen. Geladene Teilchen sind beispielsweise Protonen, Ionen, Positronen und Elektronen. Die werden wiederum unter extremen Bedingungen beschleunigt und treffen mit hohem Energiegehalt auf die Erde. Weil bei der Beschleunigung Lichtteilchen (Photonen) entstehen, ist für die Forschenden auch klar, dass die Gammastrahlung ein Hinweis auf den kosmischen Beschleuniger sei. Dies habe bereits der österreichische Physiker Victor Franz Hess im Jahr 1912 mit der Entdeckung der kosmischen Strahlung bewiesen. 

Geladene Teilchen werden auf ihrem langen Weg zur Erde von interstellaren Magnetfeldern abgelenkt. Die Forschung nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung konzentriert sich daher auf ungeladene Teilchen wie Photonen oder Neutrinos. Im Gegensatz zu den geladenen Teilchen, treffen die ungeladenen Teilchen direkt auf die Erde. Untersucht man diese Teilchen, könnte man mehr über den kosmischen Entstehungsort in Erfahrung bringen. Für Alison Mitchell stellt diese Erkenntnis den Grundsatz ihrer Forschung dar. 

Forschende arbeiten an mehreren theoretischen Modellen

Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist noch nicht geklärt. Eine vorherrschende Theorie besagt, dass die kosmische Strahlung von Resten der Supernova (ein kurzes helles Aufleuchten eines Sterns am Ende seiner Entwicklung durch eine Explosion) erzeugt werde. „Viele Kollegen präferieren die Überreste von Supernova, doch der experimentelle Nachweis ist bisher nicht eindeutig gelungen“, erklärt Mitchell. Je länger die Sternexplosion zurückliege, desto geringer die erwartete Beschleunigung. 

Außerdem könnten theoretische Untersuchungen noch nicht überzeugend zeigen, dass Teilchen in den Überresten einer Supernova auf die extrem hohen Energien beschleunigt werden können, die in der kosmischen Strahlung auftreten, so Mitchell. Aus diesem Grund suchen Forschende nach anderen Erklärungen. Mehrere Forschungsgruppen, beispielsweise in Frankreich, Polen und den USA, arbeiten an theoretischen Modellen, nach denen die Umgebung von Pulsaren für den Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung verantwortlich ist. 

Erst seit 2019 konnte nachgewiesen werden, dass sogenannte Pulsarwindnebel in der Lage sind, Positronen und Elektronen auf Energien von 1015 Elektronenvolt zu beschleunigen. Die Hauptkomponente der galaktischen kosmischen Strahlung, also Protonen und Ionen, könnten demnach ebenfalls ihren Ursprung in der Umgebung eines Pulsars haben. Für die Beschleunigung der Protonen durch Pulsare und deren Umgebung möchte Dr. Mitchell an der FAU den erhofften experimentellen Nachweis erbringen.  „Soweit ich weiß, ist das geplante umfassende Forschungsprogramm weltweit einzigartig“, sagt die Physikerin.

Teleskop-Aufnahmen aus La Palma und Chile

Mit Satelliten sind diese hochenergetischen Teilchen jedoch nur schwer nachzuweisen. Deshalb nutzen die Forschenden die irdische Atmosphäre als Detektor. Mit sogenannten „Tscherenkow-Teleskopen“ ist es möglich, das schwache Leuchten einzufangen, das entsteht, wenn ein Photon der Gammastrahlung auf die Atmosphäre trifft. Mit den fünf Empfängern des HESS-Teleskops in Namibia lässt sich die Richtung der Gammastrahlung exakt bestimmen. Alison Mitchell arbeitet auch mit dem im Bau befindlichen internationalen Großprojekt der erdbasierten Gammastrahlen-Astronomie zusammen. Das hört auf den Namen „Cherenkov Telescope Array (CTA)“. Auch Forschende der FAU sind an dem Projekt beteiligt. „Im Laufe des Projektes werden weitere CTA-Teleskope auf der Kanareninsel La Palma und in Chile dazukommen, die eine höhere Auflösung und ein größeres Gesichtsfeld haben“, erklärt Mitchell.

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Mithilfe von Algorithmen soll die Auflösung der Teleskope verbessert werden. Derzeit werden auch neue Methoden entwickelt, um räumlich ausgedehnte Gammastrahlen-Quellen zu erfassen. Mitchell habe an die FAU gewechselt, weil sie viele Schnittstellen ihrer Arbeit in den Bereichen der theoretischen Astrophysik und der Neutrino-, Röntgen- und Gammastrahlenastronomie hat. „Höchstwahrscheinlich sind sowohl Supernovae als auch Pulsare für die galaktische kosmische Strahlung verantwortlich, aber ich glaube, dass Pulsare bis auf tausendfach höhere Energien beschleunigen können als die Überreste von Supernovae.“

Nach ihrer Reise ins All ist die erste nur aus Laien-Astronauten bestehende Raumfahrt-Crew wieder auf der Erde gelandet.

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