Was passiert in der Nähe eines schwarzen Lochs? Wie explodiert eine Supernova? Und woher kommen jene unvorstellbar energiereichen Teilchen, die als kosmische Strahlung auf die Erde prasseln? Antworten auf diese Fragen erhoffen sich die Physiker von einem ungewöhnlichen Teleskop an einem spektakulären Ort: Tief im Eis des Südpols lauert der IceCube-Detektor auf Neutrinos aus dem All – geisterhafte Elementarteilchen, die bei kosmischen Gewaltakten in den fernen Weiten des Universum erzeugt werden. Physiker vom DESY-Standort in Zeuthen sind maßgeblich an dem größten Teilchendetektor der Welt beteiligt.

Neutrinos sind extrem leichte Teilchen, die nahezu ungestört durch alles hindurchfliegen, was ihnen begegnet. Das macht sie zu einzigartigen Boten der Geschehnisse im Weltall. Denn Neutrinos erreichen die Erde auf direktem Weg, z.B. von den Zentren fremder, Millionen oder Milliarden Lichtjahre entfernter Galaxien. Licht- oder Gammastrahlen aus diesen Galaxien bleiben auf ihrem Weg zur Erde leicht in Materiewolken stecken; geladene Teilchen werden durch kosmische Magnetfelder abgelenkt, so dass sich ihr Ursprung nicht mehr feststellen lässt. Neutrinos stören weder Materiewolken noch Magnetfelder – deshalb können sie Informationen aus Regionen des Kosmos liefern, von denen kaum ein anderes Signal zur Erde vordringt.

Was Neutrinos zu idealen kosmischen Boten macht, ist gleichzeitig auch ihr Nachteil: Sie fliegen so mühelos durch Materie hindurch, dass jede Sekunde Milliarden von Neutrinos jeden Quadratzentimeter der Erde durchqueren, ohne eine Spur zu hinterlassen. Nur ganz selten trifft ein Neutrino auf ein Materieteilchen. Deshalb sind gigantische Detektoren nötig, um ab und zu ein solches Neutrinoereignis beobachten zu können.

Teilchenspuren im ewigen Eis

Das Neutrinoteleskop IceCube ist ins ewige Eis der Antarktis eingeschmolzen – mit einem Volumen von einem Kubikkilometer ist es der größte Teilchendetektor der Welt. In einer Tiefe von bis zu 2,5 Kilometern sind 86 Stahltrossen mit über 5000 lichtempfindlichen Nachweisgeräten im Eis versenkt. Diese optischen Module beobachten die winzigen blauen Lichtblitze, die entstehen, wenn Neutrinos mit dem kristallklaren Eis reagieren und dabei Schauer geladener Teilchen erzeugen. Anhand dieser Lichtblitze lässt sich die Flugrichtung der Neutrinos vermessen. Daraus können die Physiker wiederum rekonstruieren, aus welchen Regionen des Alls die Geisterteilchen kommen und wo sie entstanden sind.

DESY ist als zweitgrößter Partner nach der Universität von Wisconsin-Madison (USA) einer der wichtigsten Akteure des internationalen IceCube-Konsortiums. Bei DESY in Zeuthen wurde ein Viertel der Detektormodule von IceCube produziert, und auch an der Datenanalyse sind die Zeuthener Forscher maßgeblich beteiligt.

Einblick in kosmische Gewaltakte

Die meisten Neutrinos, die auf die Erde treffen, entstehen in der Sonne oder der Erdatmosphäre. Weitaus seltener sind Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems stammen. Solche extraterrestrischen Neutrinos sind für die Physiker besonders interessant, denn sie geben Einblick in die gewaltigen kosmischen Objekte, von denen sie herrühren: Gammastrahlenausbrüche, Supernovae, Pulsare oder die riesigen Teilchenjets, die supermassive Schwarze Löcher im Herzen aktiver Galaxien aussenden.

Spannend wären für die Forscher zum Beispiel die Signale einer Supernova, die irgendwo in unserer Galaxis explodiert. Ein solches Himmelsfeuerwerk würde extrem viele Neutrinos freisetzen, die sich mit IceCube zweifelsfrei nachweisen lassen müssten. Die Fachleute nehmen an, dass ein Stern gar nicht explodieren könnte, würden die Neutrinos nicht die Sternenhülle mit gewaltigem Druck nach außen pressen. Mit IceCube wollen sie diese Theorie überprüfen und verstehen, wie eine Sternenexplosion im Detail abläuft.

Erste Neutrinos aus dem All

Der erste Durchbruch gelang der internationalen IceCube-Gruppe im Jahr 2012: Die Forscher identifizierten in den Messdaten zwei Ereignisse mit einer gewaltigen Energie von je 1000 Tera-Elektronenvolt (TeV) – deutlich mehr als das, was man für atmosphärische Neutrinos erwartet. 2013 kamen weitere Hochenergie-Ereignisse hinzu. Alle Spuren unterschieden sich so deutlich von der atmosphärischen Variante, dass klar war: IceCube hatte die ersten energiereichen Neutrinos aus den Tiefen des Weltalls aufgespürt.

Damit eröffnet das gigantische Teleskop am Südpol einen neuen Zweig der Astronomie. Mit steigenden Nachweiszahlen hoffen die Wissenschaftler, räumliche oder zeitliche Häufungen auszumachen, die es ihnen erlauben, einzelne Quellen energiereicher Neutrinos im Kosmos zu identifizieren.

Zahlen und Fakten
  • Neutrinoteleskop im Eis des Südpols, ergänzt durch ein Detektorfeld an der Eisoberfläche (IceTop)
  • Fertigstellung: Dezember 2010
  • Volumen: ein Kubikkilometer
  • Tiefe im Eis: zwischen 1450 und 2450 m
  • 86 Trossen mit je 60 optischen Modulen
  • Insgesamt 5160 optische Module