Von Martin Koch
11.08.2012

Teilchenangriff aus dem Weltall

Vor 100 Jahren entdeckte der österreichische Physiker und Nobelpreisträger Victor Franz Hess die kosmische Strahlung

Aus den Weiten des Universums wird die Erde unablässig mit hochenergetischen Teilchen bombardiert. Rund 1000 davon treffen pro Quadratmeter und Sekunde auf die äußere Atmosphäre. Diese sogenannte primäre kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonen. Hinzu kommen Heliumkerne (Alphateilchen), Kerne schwererer Atome und Elektronen. In einer Höhe von etwa 20 Kilometern stoßen die kosmischen Teilchen mit Gasmolekülen zusammen und erzeugen dabei ausgedehnte Schauer von Sekundärteilchen, von denen aber nur wenige die Erdoberfläche erreichen. Glücklicherweise, muss man hinzufügen. Denn würde der kosmische Teilchenregen ungeschützt auf die Erde prasseln, hätte dies für die Biosphäre auf unserem Planeten und namentlich für den Menschen katastrophale Folgen.

Es war der österreichische Physiker Victor Franz Hess (1883-1964), der die kosmische Strahlung vor 100 Jahren entdeckte. Ganz zufällig geschah dies freilich nicht. Schon Ende des 19. Jahrhunderts hatte man bemerkt, dass die von der Radioaktivität ausgehende Strahlung ionisierend wirkt, also fähig ist, Elektronen aus der Atomhülle zu schlagen. Es lag daher nahe, die bis dahin rätselhafte elektrische Leitfähigkeit der Luft auf die in der Erdkruste entstehende radioaktive Strahlung zurückzuführen. Traf dieser Schluss zu, musste die Leitfähigkeit der Luft mit der Höhe rasch abnehmen.

Um das nachzuprüfen, führte der physikbegeisterte Jesuitenpater Theodor Wulf im Jahr 1910 vergleichende Messungen am Fuß und an der Spitze des Pariser Eiffelturms durch. Tatsächlich war die in ca. 300 Metern Höhe ermittelte Leitfähigkeit der Atmosphäre etwas geringer als am Boden, aber immer noch deutlich höher, als sie den Berechnungen zufolge hätte sein dürfen. Wulf vermutete daher, dass die Luft durch eine Strahlung aus dem Weltall ionisiert werde.

Das damals modernste Gerät zur Atmosphärenforschung, der sich ab 1911 auch Victor Franz Hess zuwandte, war ein gasgefüllter Ballon. Insgesamt zehnmal stieg der wagemutige Forscher in ein solches Gefährt und damit mehrere Kilometer in die Höhe. Dabei stellte er fest, dass die Ionisation der Luft in 1000 Metern Höhe fast wieder den Bodenwert erreicht, und dass die Strahlung in den Nachtstunden die selbe Intensität aufweist wie am Tag. Folglich konnte sie nicht von der Sonne stammen. Seinen entscheidenden Flug unternahm Hess am 7. August 1912. Er startete morgens im böhmischen Aussig (heute Ústi nad Labem), überflog den Schwielochsee im Süden Brandenburgs in einer Höhe von 5350 Metern und landete mittags in Bad Saarow.

Mit drei Ionisationsmessgeräten wies er während dieses Fluges nach, dass eine Strahlung von sehr hoher Durchschlagskraft von oben in unsere Atmosphäre eindringt und noch in deren untersten Schichten Wirkungen hinterlässt. Zwar veröffentlichte Hess sogleich einen Bericht über seine Ballonflüge. Doch deren Ergebnisse waren in der Fachwelt lange umstritten, so dass er erst 1936 den Physiknobelpreis erhielt.

»Der Nachweis der kosmischen Strahlung war eine Jahrhundertentdeckung, die uns völlig neue Einblicke ins Universum gebracht hat« sagt Christian Stegmann, Astroteilchenphysiker am Standort Zeuthen des Deutschen Elektronen-Synchrotons (DESY), und ergänzt, dass vor dem Bau großer irdischer Beschleuniger auch einige wichtige Elementarteilchen in der kosmischen Strahlung entdeckt worden seien: das Positron, das Antiteilchen des Elektrons, das Myon und das Pion.

Bleibt die Frage: Wo wird die kosmische Strahlung erzeugt? Abgesehen von einem kleinen Teil, der von der Sonne stammt, ist sie galaktischen bzw. extragalaktischen Ursprungs. Welche Objekte allerdings als Strahlungsquellen fungieren, ist unter Physikern umstritten. Als heiße Kandidaten werden neben Supernova-Explosionen auch Doppelsternsysteme, Schwarze Löcher und Galaxien mit aktiven Kernen gehandelt. Solche kosmischen Teilchenbeschleuniger sind millionenfach stärker als alle auf der Erde gebauten Maschinen. Das erklärt, warum kosmische Protonen mitunter so viel Energie besitzen wie ein hart geschlagener Tennisball. Weil die meisten Strahlungsteilchen aber elektrisch geladen sind und somit im All von Magnetfeldern abgelenkt werden, lässt sich im nachhinein nicht mehr feststellen, woher sie kommen.

Doch es gibt Hoffung für die Astroteilchenphysiker. Denn die kosmische Strahlung enthält auch Gammastrahlen, auf die Magnetfelder keinen Einfluss haben und die somit direkt auf den Ort ihrer Entstehung zurückweisen. Mit Hilfe großer Teleskopsysteme wird deshalb heute weltweit nach hochenergetischen Gammaquellen im Kosmos gefahndet. Eines der Systeme trägt übrigens den Namen »H.E.S.S.« (High Energy Stereoscopic System) und befindet sich im Hochland von Namibia.

Andere Teleskope dienen dem Nachweis von Neutrinos aus der kosmischen Strahlung, die als elektrisch neutrale Teilchen ebenfalls unbeeinflusst von Magnetfeldern auf direktem Weg zur Erde gelangen. 2010 wurde in der Antarktis das weltgrößte Neutrinoteleskop »IceCube« fertiggestellt, an dessen Betrieb sich 260 Wissenschaftler aus acht Ländern beteiligen. Damit hat nach der Gammastrahlen-Astronomie auch die Neutrino-Astronomie einen enormen Aufschwung genommen, betont DESY-Forscher Stegmann: »Auf beiden Wegen erwarten wir spannende Einblicke in die natürlichen Teilchenbeschleuniger des Universums, die neues Licht in die verbliebenen Rätsel der kosmischen Strahlung bringen werden.«

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