Kosmische Strahlung: Erkenntnisse und neue Fragen

Internationale Raumstation (ISS)

Spektrometer auf der ISS seit fünf Jahren im Einsatz

2011 brachte das Space Shuttle „Endeavour“ auf seinem letzten Flug ein besonderes Messinstrument zur Internationalen Raumstation (ISS) – das Alpha Magnet Spektrometer (AMS). Im Orbit hat das AMS in den letzten fünf Jahren 90 Milliarden geladene Teilchen aus der kosmischen Strahlung aufgezeichnet. Jetzt ziehen Wissenschaftler eine Zwischenbilanz und präsentieren erste Ergebnisse der Messungen.

15 Jahre dauerte der Bau des AMS und kostete 1,5 Milliarden Dollar. Mit einem instrumentierten Volumen von 60 Kubikmetern und einem Gewicht von sieben Tonnen ist es das größte Experiment zur Grundlagenforschung auf der Raumstation. Das AMS misst geladene Teilchen aus der kosmischen Strahlung, bevor die Erdatmosphäre sie absorbiert. Die Daten erlauben Rückschlüsse auf die höchstenergetischen Prozesse in der Milchstraße. Sie liefern damit auch Hinweise auf die Antworten zu den großen Fragen der modernen Physik.

Vor wenigen Tagen haben Wissenschaftler u. a. des Massachusetts Institute of Technology MIT die Ergebnisse aus fünf Jahren AMS am europäischen Großforschungszentrum CERN vorgestellt. In Deutschland sind Arbeitsgruppen der RWTH Aachen, des Karlsruher Instituts für Technologie KIT und des Forschungszentrums Jülich am Projekt beteiligt.

Verständnis kosmischer Strahlung unvollständig

Die Ergebnisse überraschten die Forscher. Sie zeigen: Das Verständnis der Erzeugung, der Beschleunigung und des Transportes der kosmischen Strahlung von den Quellen bis in unser Sonnensystem ist unvollständig. Denn bisher meinten die Wissenschaftler, die Teilchen würden innerhalb unserer Galaxie in Supernova-Explosionen und schweren Sternen erzeugt und beschleunigt. Die Präzision der Daten von AMS zeigt nun erstmals, in welche Richtung die bisherigen Modelle erweitert werden müssen.

Ein winziger Teil der kosmischen Strahlung besteht aus Antimaterie-Teilchen. Die Teilchen sind daher besonders empfindliche Proben für neue und unerwartete Prozesse. Das AMS beobachtet bei hohen Energien sowohl mehr Positronen als auch mehr Antiprotonen, als die Wissenschaftler erwartet hatten. Die Wechselwirkungen von Dunkle Materie-Teilchen in unserer Galaxie könnte beides erklären. Um sicher zu gehen, bräuchte es aber eine unabhängige Bestätigung dieser Interpretation mit anderen Ansätzen, z. B. mittels des LHC-Beschleunigers am CERN in Genf.

Wo ist das Antihelium?

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum. In den letzten fünf Jahren hat das AMS 3,7 Milliarden Helium-Ereignisse registriert. Eine der großen offenen Fragen der Physik lautet: Warum beobachten wir kein Antihelium im Universum? Denn ist das Universum durch den Urknall aus dem Nichts entstanden, muss am Anfang genauso viel Materie wie Antimaterie vorhanden gewesen sein.

Deshalb hat das AMS in seinen Daten nach Antihelium-Kernen gesucht. Würde sich ein einziger Antihelium-Kern in der kosmischen Strahlung zeigen, hätte das grundlegende Auswirkungen auf das gesamte Weltbild der modernen Physik. Tatsächlich beobachtete AMS einige Antihelium-Kandidaten, deren Masse mit Helium-3 verträglich ist. Allerdings war die Rate dieser Ereignisse extrem niedrig. Nur mit Hilfe aufwändiger Computersimulationen konnte die Frage untersucht werden, ob diese wenigen Ereignisse nicht auch auf andere Ursachen zurückgeführt werden können. Diese Rechnungen haben mehr als zehn Millionen Stunden Rechenzeit auf einem weltweiten Netzwerk von Großrechnern in Anspruch genommen. Trotzdem findet sich in diesen Simulationen keine Erklärung für die beobachteten Antihelium-Kandidaten. Weil aber Computersimulationen nur eine Annäherung an die Wirklichkeit sind, sollen Methoden entwickelt werden, um dieses Ergebnis alleine an Hand der AMS-Messdaten zu verifizieren.

Die AMS-Daten haben also viele wichtige neue Erkenntnisse geliefert – die neuen Resultate werfen zugleich aber auch Fragen auf. AMS wird bis zum Ende der Lebensdauer der Internationalen Raumstation fortfahren, die kosmische Strahlung präzise zu vermessen.

Bild: NASA