Extrem starke kosmische Strahlen regnen auf uns herab. Niemand weiß, woher sie kommen.

Man mag denken, dass die größten, verwirrendsten Geheimnisse des Universums weit da draußen existieren, am Rande eines schwarzen Lochs oder im Inneren eines explodierenden Sterns.

Nein, die großen Geheimnisse des Universums umgeben uns, die ganze Zeit. Sie durchdringen uns sogar und segeln direkt durch unseren Körper. Ein solches Mysterium ist die kosmische Strahlung, die aus winzigen Atomteilchen besteht. Diese Strahlen, die in diesem Moment durch uns hindurchgehen, sind weder für uns noch für anderes Leben auf der Erdoberfläche schädlich.

Aber einige tragen so viel Energie in sich, dass Physiker darüber rätseln, welches Objekt im Universum sie erzeugt haben könnte. Viele sind viel zu stark, um von unserer Sonne stammen zu können. Viele sind viel zu stark, um von einem explodierenden Stern verursacht worden zu sein. Da sich kosmische Strahlen oft nicht in einer geraden Linie bewegen, wissen wir nicht einmal, wo am Nachthimmel sie herkommen.

Die Antwort auf das Rätsel der kosmischen Strahlen könnte Objekte und physikalische Phänomene im Universum betreffen, die noch nie jemand gesehen oder aufgezeichnet hat.

Auch wenn wir nicht wissen, woher sie kommen oder wie sie hierher kommen, können wir sehen, was passiert, wenn diese kosmischen Strahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf die Atmosphäre unseres Planeten treffen.

Kosmische Strahlen sind Boten aus dem weiten Universum; eine Erinnerung daran, dass wir ein Teil davon sind, und eine Erinnerung daran, dass es da draußen immer noch eine Menge Geheimnisse gibt. Werfen wir einen genauen Blick auf diese erstaunlichen Teilchen, die aus der Ferne auf die Erde regnen.

Einschlag in unsere Atmosphäre

Wenn die Teilchen der kosmischen Strahlung mit den Atomen in der oberen Atmosphäre kollidieren, zerplatzen sie und reißen die Atome in einer heftigen Kollision auseinander. Die Teilchen aus dieser Explosion sprengen dann immer wieder andere Teile der Materie in einer schneeballartigen Kettenreaktion auseinander. Ein Teil dieses atomaren Schrapnells trifft sogar auf den Boden.

Das kann man in Aktion sehen, wenn man aus einem Glasgefäß, Filz, Trockeneis und Isopropylalkohol (d. h. Franzbranntwein) eine so genannte Nebelkammer baut.d. h. Franzbranntwein). Der Filz wird in den Alkohol getaucht, und das Trockeneis (ein superkaltes festes Kohlendioxid) kühlt den Alkoholdampf ab, der aus dem Filz strömt. So entsteht eine Wolke aus Alkoholdampf.

In dieser Kammer kann man die kosmische Strahlung sehen, insbesondere die von einem Teilchen namens Myon. Myonen sind wie Elektronen, aber ein bisschen schwerer. Jeder Quadratzentimeter der Erde auf Meereshöhe, einschließlich des Raums auf Ihrem Kopf, wird jede Minute von einem Myon getroffen.

Wie Elektronen tragen Myonen eine negative Ladung. Wenn die Myonen durch die Alkoholwolke sausen, ionisieren (laden) sie die Luft, die sie durchqueren. Die Ladung in der Luft zieht den Alkoholdampf an, und er kondensiert zu Tröpfchen. Und diese Tröpfchen zeichnen dann den Weg nach, den die kosmische Strahlung durch die Kammer genommen hat.

Wenn Sie die Wege sehen, die diese Myonen nehmen, denken Sie an Folgendes: Diese subatomaren Teilchen rasen mit 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zur Erde.

Sie bewegen sich so schnell, dass sie die von Einsteins spezieller Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation erfahren. Sie sollen in nur 2,2 Mikrosekunden zerfallen – also in kleinere Bestandteile, Elektronen und Neutrinos, zerfallen -, was bedeuten würde, dass sie gerade einmal 2.000 Meter vom oberen Rand der Atmosphäre herunterkommen würden, bevor sie sterben. Aber weil sie sich relativ zu uns so schnell bewegen, altern sie 22-mal langsamer. (Ähnliches passierte Matthew McConaugheys Figur im Film Interstellar, als er seine relative Geschwindigkeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs beschleunigte.)

Wenn Einsteins Theorie nicht stimmen würde, würden wir keine Myonen in der Nebelkammer sehen. Zum Glück sind sie harmlos, denn sie bewegen sich so schnell, dass sie keine Zeit haben, in unserem Körper einen Schlag zu landen. Wissenschaftler können einige coole Dinge mit Myonen machen, wie zum Beispiel das Innere der großen Pyramide in Ägypten fotografieren.

Erinnern Sie sich daran, dass diese Strahlen möglicherweise durch Kräfte von außerhalb unseres Sonnensystems angetrieben wurden, durch Kräfte, die kein Physiker versteht. Das ist schlichtweg fantastisch.

„Unsere Kollegen aus der theoretischen Physik sind ratlos“, sagt Charles Jui, ein Physiker an der University of Utah, der auf der Jagd nach kosmischen Strahlen ist. „Wir können auch nicht herausfinden, woher sie kommen.“

Kosmische Strahlung, erklärt

Das Geheimnis der kosmischen Strahlung begann mit ihrer Entdeckung im Jahr 1912. Damals unternahm der Physiker Victor Hess eine Fahrt mit einem Heißluftballon und entdeckte, dass die Strahlungsmenge in der Atmosphäre zunimmt, je höher man steigt.

Er war auf dem Ballon, um sein Experiment von der Strahlung zu isolieren. Aber weiter oben war es nur noch lauter. Daraus schloss er, dass die Strahlung aus dem Weltraum kam und nicht die Radioaktivität von Gesteinen in der Erde.

Er unternahm diese Ballonfahrt auch während einer totalen Sonnenfinsternis. Da der Mond die Sonne verdeckte, hätte die kosmische Strahlung, die von der Sonne kam, herausgefiltert werden müssen. Aber er nahm trotzdem welche auf. Das führte ihn zu der Erkenntnis, dass die Strahlung nicht von der Sonne kam, sondern aus den Tiefen des Weltraums. Für seine Entdeckung der kosmischen Strahlung erhielt er 1936 den Nobelpreis für Physik.

Das energiereichste jemals aufgezeichnete Teilchen der kosmischen Strahlung, das so genannte „Oh-My-God“-Teilchen, war etwa zwei Millionen Mal energiereicher als das aufgemotzte Proton, das vom Large Hadron Collider, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, angetrieben wird.

Diese Energie, so erklärt Antonella Castellina, eine italienische Astrophysikerin vom Pierre-Auger-Observatorium, ist vergleichbar mit einem Top-Tennisprofi, der einen Ball mit aller Kraft schlägt. Das hört sich nicht nach viel an. Aber stellen Sie sich vor, dass all diese Energie auf eine Fläche gepresst wird, die kleiner als ein Atom ist – das ist extrem. Es ist genug Energie, um eine Glühbirne für eine Sekunde oder mehr einzuschalten. „Niemand weiß, was im Universum in der Lage ist, einem subatomaren Teilchen eine solche Energie zu geben“, sagt sie.

Mehr als das, Wissenschaftler sind verblüfft, wie ein solches Teilchen überhaupt die Erde erreichen kann. Man nimmt an, dass Teilchen mit solch wahnsinnig hohen Energien mit der Strahlung interagieren, die vom Urknall und der Erschaffung des Universums übrig geblieben ist, was ihnen den Garaus machen sollte, bevor sie uns erreichen.

Was das „Oh-My-God“-Teilchen und ähnlich starke kosmische Strahlung erzeugt hat, ist ein völliges, rätselhaftes Geheimnis. (Sie fragen sich vielleicht, warum wir diese Teilchen „Strahlen“ nennen? Das ist eine falsche Bezeichnung, die sich seit ihrer Entdeckung vor einem Jahrhundert gehalten hat. Man nennt sie auch „Astroteilchen“. Aber kosmische Strahlen klingen cooler, also bleiben wir dabei.)

Kosmische Strahlen wurden vor 100 Jahren entdeckt. Also denken Sie vielleicht: Warum können wir nicht herausfinden, was diese kosmische Strahlung auf uns schießt?

Nun, wir wissen, dass einige kosmische Strahlen von der Sonne kommen. Aber die stärksten, die geheimnisvollsten kommen von weit draußen in der Galaxie und im Universum.

Das Problem bei der Suche nach den Quellen dieser sehr energiereichen kosmischen Strahlen ist, dass sich die Strahlen nicht immer in einer geraden Linie bewegen. Die verschiedenen Magnetfelder der Galaxie und des Universums lenken sie ab und bringen sie auf gekrümmte Bahnen.

Viele der kosmischen Strahlen, die auf die Erde treffen – besonders die, die von unserer Sonne kommen – werden durch das Magnetfeld der Erde zu den Polen abgelenkt. Das ist der Grund, warum wir das Nord- und das Südlicht in der Nähe der Pole haben.

Es gibt ein paar große Projekte, um besser zu verstehen, woher diese kosmische Strahlung kommt. Eines davon beinhaltet einen wirklich riesigen Eisblock am Südpol.

Ein riesiger Eisblock am Südpol ist ein gigantischer Detektor für kosmische Strahlung

Am Boden der Welt ist nicht viel los, außer für die Physiker. Dort, am Südpol, haben sie das IceCube-Neutrino-Observatorium gebaut, das direkt in das Eis unter der Oberfläche des Südpols geschmiedet wurde.

Es ist ein 1 Kubikkilometer großer Block aus kristallklarem Eis, umgeben von Sensoren. Diese Sensoren sind so eingestellt, dass sie erkennen, wenn subatomare Teilchen, die Neutrinos genannt werden – die sich zusammen mit anderen subatomaren Teilchen in der kosmischen Strahlung fortbewegen – auf die Erde stürzen.

Wie es funktioniert, unterscheidet sich nicht so sehr von dem Nebelkammer-Experiment, das wir Ihnen oben gezeigt haben. Es versucht, den Weg einer ganz besonderen Art von kosmischer Strahlung – Neutrino genannt – durch das Observatorium zu verfolgen.

Neutrinos unterscheiden sich von den anderen Komponenten der kosmischen Strahlung in einer wirklich wichtigen Hinsicht: Sie interagieren kaum mit anderen Formen von Materie. Sie haben keine elektrische Ladung. Das bedeutet, dass sie sich in einer relativ geraden Linie durch das Universum bewegen, und wir können sie zu einer Quelle zurückverfolgen.

„Wenn ich mit einer Taschenlampe durch eine Wand leuchte, geht das Licht nicht hindurch“, sagte mir Naoko Kurahashi Neilson, eine Teilchenphysikerin an der Drexel University. „Das liegt daran, dass die Lichtteilchen, die Photonen, mit den Teilchen in der Wand wechselwirken und sie nicht durchdringen können. Wenn ich eine Neutrino-Taschenlampe hätte, würde dieser Neutrinostrom durch die Wand gehen.“

Aber hin und wieder trifft ein Neutrino – vielleicht eins von 100.000 – ein Atom im Eis des Observatoriums und bricht das Atom auseinander.

Dann passiert etwas Spektakuläres: Durch die Kollision entstehen weitere subatomare Teilchen, die beim Durchgang durch das Eis auf eine Geschwindigkeit schneller als die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Sie haben vielleicht schon einmal gehört, dass sich nichts schneller als das Licht bewegen kann. Das ist wahr, aber nur im Vakuum. Die Photonen, aus denen das Licht besteht (ein eigenständiges subatomares Teilchen), werden tatsächlich etwas langsamer, wenn sie in eine dichte Substanz wie Eis eindringen. Aber andere subatomare Teilchen, wie Myonen und Elektronen, werden nicht langsamer.

Wenn sich Teilchen schneller als Licht durch ein Medium wie Eis bewegen, leuchten sie. Das nennt man Cherenkov-Strahlung. Das Phänomen ähnelt dem eines Überschallknalls. (Wenn man sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegt, erzeugt man einen lauten Knall.) Wenn sich Teilchen schneller als das Licht bewegen, hinterlassen sie Wellen aus einem unheimlichen blauen Licht, so wie ein Schnellboot Wellen auf dem Wasser hinterlässt. Hier ist eine künstlerische Darstellung davon, wie das alles aussieht. Das Neutrino ist die Tropfenform in Grau.

Andere Observatorien, die nach kosmischer Strahlung suchen, sind ähnlich riesig

Das Pierre-Auger-Observatorium, an dem Castellina arbeitet, verwendet eine Reihe von 1.600 Tanks, jeder gefüllt mit 3.000 Gallonen Wasser. Die Tanks sind über mehr als 1.000 Quadratmeilen in Mendoza, Argentinien, verteilt.

Die Tanks funktionieren wie der Eisblock am Südpol. Aber statt Eis verwenden sie Wasser, um die kosmische Strahlung aufzuzeichnen. Die Tanks sind innen komplett pechschwarz. Aber wenn kosmische Strahlung – mehr als nur Neutrinos – in die Tanks eindringt, verursacht sie kleine Lichtblitze durch Cherenkov-Strahlung, da sie im Wasser die Lichtgeschwindigkeit überschreitet.

Wenn viele der Tanks einen Ausbruch kosmischer Strahlung zur gleichen Zeit aufzeichnen, können die Wissenschaftler rückwärts arbeiten und die Energie des Teilchens herausfinden, das am oberen Ende der Atmosphäre auftrifft. Sie können auch eine grobe Vermutung darüber anstellen, von wo am Himmel das Teilchen abgeschossen wurde.

In der nördlichen Hemisphäre gibt es ein ähnliches Experiment in Utah, das Teleskop-Array. Wie die Tanks in Südamerika besteht auch das Array in Utah aus einer Reihe von Detektoren, die über eine riesige Fläche verteilt sind. Derzeit nimmt es etwa 300 Quadratmeilen ein, aber es ist ein Upgrade in Arbeit, das es auf bis zu 1.200 Quadratmeilen erweitert. (Je größer das Gebiet, desto größer die Chance, die schwer fassbaren und starken kosmischen Strahlen zu entdecken.)

Die Detektoren in Utah bestehen aus superklarem Acrylplastik und sind in Einheiten untergebracht, die wie Krankenhausbetten aussehen.

Wenn viele der Detektoren einen Treffer in Folge aufzeichnen (man stelle sich vor, dass die Teilchen alle etwa zur gleichen Zeit auf den Boden treffen, wie Schrotkugeln auf einem Zielbrett), „kann man die Richtung rekonstruieren“, aus der sie kamen, sagt Jui, der Physiker der University of Utah, der an dem Array arbeitet.

Das Observatorium kann auch etwas Cooles. In sehr klaren, dunklen Nächten in der Wüste von Utah kann es tatsächlich die schwachen Spuren der kosmischen Strahlung sehen, die in unserer Atmosphäre aufleuchten.

„Die Idee ist, dass man mit Hilfe von Ultraviolett-Kameras sehen kann, wie der Luftschauer in der Atmosphäre entsteht“, sagt Jui. „Das sind Kameras, die Videos aufnehmen, über ein paar Mikrosekunden, zehn Bilder pro Mikrosekunde, und dann kann man tatsächlich die ausgedehnte Linie am Himmel sehen und die Energie davon messen.“

Sie können bei der Suche nach kosmischer Strahlung helfen

Mit genügend Daten über diese hochenergetische kosmische Strahlung hoffen die Wissenschaftler, eines Tages besser bestimmen zu können, woher sie am Himmel kommt.

Das Problem ist, dass sie im Moment einfach nicht genug Beobachtungen der stärksten kosmischen Strahlung haben.

Es wird einige Zeit dauern, weil die stärkste kosmische Strahlung nicht allzu häufig durch Detektoren läuft: Jeder Quadratkilometer der Erde sieht nur etwa eines dieser Teilchen pro Jahrhundert. Und um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass sich diese Strahlen oft nicht in einer geraden Linie bewegen, wird es einen Berg von Daten benötigen.

Aber schon jetzt gibt es einige Hinweise. Das Pierre-Auger-Observatorium hat einige (noch nicht schlüssige) Daten, dass einige dieser hochenergetischen Teilchen aus Starburst-Galaxien stammen, also aus Galaxien, die sehr schnell Sterne bilden. Juis Gruppe ist zu dem Schluss gekommen, dass etwa ein Viertel der stärksten beobachteten kosmischen Strahlung aus einem Kreis kommt, der etwa 6 Prozent der Größe des Nachthimmels hat, in der Nähe des Sternbilds Großer Wagen. Aber das ist ein riesiges Gebiet im Weltraum, und es gibt keinen offensichtlichen Beweis in dieser Region.

Weitere Hinweise sickern immer wieder ein. Im vergangenen Sommer veröffentlichten Wissenschaftler des IceCube-Observatoriums spannende Hinweise darauf, dass Galaxien, sogenannte Blazare, einige dieser hochenergetischen Teilchen erzeugen. Blazare haben supermassereiche Schwarze Löcher in ihrem Zentrum, die Materie in ihre Bestandteile zerreißen und dann subatomare Teilchen wie eine Laserkanone ins All schießen.

Hier ist eine nicht ganz maßstabsgetreue Darstellung eines Blazars, der einen Strahl kosmischer Strahlung auf die Erde schießt.

Die aktuellen Ergebnisse können die stärkste jemals entdeckte kosmische Strahlung noch nicht erklären. Sie müssen noch wiederholt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass einige der Strahlen von Kräften und Objekten erzeugt werden, von denen wir derzeit noch nichts wissen – oder mit mysteriösen Dingen wie dunkler Materie interagieren, auf eine Art und Weise, die wir noch nicht verstehen. Es könnten Außerirdische sein, aber ich bezweifle es.

Was die Wissenschaftler brauchen, sind mehr Daten, mehr Beobachtungen, um in der Lage zu sein, die Quellen am Himmel zu lokalisieren, aus denen diese Teilchen kommen.

Und bald können Sie sich an der Suche beteiligen. Ihr Telefon kann in einen Detektor für kosmische Strahlung verwandelt werden. Daniel Whiteson ist ein Physiker an der University of California Irvine, der an einem Crowd-Source-Projekt für kosmische Strahlung gearbeitet hat. Es heißt Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

„Die Anzahl der Partikel, die mit verrückten Energien auf die Atmosphäre treffen, ist wirklich groß. Sie geht in die Millionen“, sagt Whiteson. Aber Observatorien wie das Pierre Auger – obwohl riesig – sind nicht groß genug, um die meisten von ihnen zu entdecken. „Wenn wir ein ausreichend großes Teleskop bauen könnten, das riesige Landstriche abdeckt, könnten wir sehr schnell eine Menge Daten sammeln.“

Da kommen die Smartphones ins Spiel. Die Kamera in Ihrem Telefon funktioniert, weil Photonen – die subatomaren Teilchen, aus denen Licht besteht – einen Sensor auf der Rückseite der Linse aktivieren. Auch kosmische Strahlen können den Sensor aktivieren. (Ab und zu kann auch ein kosmischer Strahl einen Mikroprozessor stören und einen Computer zum Absturz bringen.)

„Wenn Sie die Kamera Ihres Telefons nach unten halten, wird das meiste blockiert und Sie erhalten ein schwarzes Bild“, erklärt er. „Aber Partikel aus dem Weltraum werden direkt durch Ihr Telefon, die Decke oder die Wand hindurchgehen und auf das , treffen und eine Spur hinterlassen.“

Die Hoffnung ist, dass Millionen von Benutzern die App nachts einschalten können, während sie schlafen, und sie wird nach diesen kosmischen Strahlen suchen. Mit genügend Handys, so hofft Whiteson, können er und seine Kollegen ein besseres Bild davon bekommen, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Projekt ist noch nicht ganz ausgereift. Aber Sie können sich jetzt schon anmelden, um Beta-Tester zu werden, wenn die App fertig ist.

Die Physiker werden nicht so schnell aufgeben. Die Existenz der hochenergetischen kosmischen Strahlung zeigt uns, dass unser Verständnis des Universums beklagenswert unvollständig ist.

„Dies ist eines der gewaltigsten Phänomene“ im Universum, sagt Jui. Wollen Sie nicht herausfinden, was es verursacht?

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