Pierre-Auger-Observatorium: Astronomie bei höchsten Energien

Mit 1660 Wassertanks und 27 Teleskopen ist das Pierre-Auger-Observatorium auf dreitausend Quadratkilometern in der argentinischen Hochebene der kosmischen Strahlung auf der Spur.

Eine der 27 Teleskopstationen des Pierre-Auger-Observatoriums unter der nächtlichen Milchstraße. © Pierre Auger Collaboration

Das Weltall lässt tagtäglich eines der größten Rätsel der Astrophysik auf die Erdatmosphäre einprasseln: die kosmische Strahlung. Dabei handelt es sich um geladene Teilchen mit weit mehr Energie, als sie irdische Teilchenbeschleuniger erreichen können. Doch woher diese Teilchen kommen und welcher Mechanismus ihnen so hohe Energien verleiht, ist bislang nicht bekannt. Das Pierre-Auger-Observatorium ist das weltweit führende Experiment zur Messung dieser hochenergetischen kosmischen Strahlung: Auf dreitausend Quadratkilometern in der argentinischen Pampa bei Malargüe fangen 1660 Wassertanks und 27 Teleskope ihre indirekten Lichtsignale auf.

Dabei dringt die kosmische Strahlung selbst nicht bis zum Erdboden vor. Stattdessen stößt sie auf Atome hoch oben in der Erdatmosphäre. Bei diesen Zusammenstößen entstehen zahlreiche neue Teilchen, die wie ein Schauer auf den Erdboden gelangen. Ein einzelner Teilchenschauer überdeckt eine Fläche von mehreren Quadratkilometern und wird so von mehreren Detektorstationen des Pierre-Auger-Observatoriums erfasst. Die Gesamtfläche des Beobachtungsfelds überschreitet die Größe des Saarlandes, damit genügend viele der höchstenergetischen Teilchen registriert werden können – etwa drei pro Minute.

Das Pierre-Auger-Observatorium ist seit 2008 in vollem Betrieb. Dabei handelt es sich um ein internationales Gemeinschaftsprojekt: Insgesamt sind über 450 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 17 Ländern daran beteiligt – rund hundert von ihnen arbeiten an insgesamt acht Instituten aus Deutschland. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat den Bau und die Beteiligung deutscher Forschungsgruppen am Observatorium in der Verbundforschung mitfinanziert: Im Förderzeitraum 2011–2017 betragen die zur Verfügung gestellten Mittel rund 8,3 Millionen Euro.

Dies schließt auch die Erweiterung des Observatoriums mit ein, die sich derzeit im Bau befindet: Im Projekt AugerPrime werden die Wasser-Detektoren zusätzlich mit sogenannten Szintillationsdetektoren ausgestattet. Sie reagieren besonders empfindlich auf Elektronen, während die Wassertanks vor allem Myonen, die schweren Geschwister der Elektronen, erkennen können. Im Zusammenspiel beider Detektoren wollen die Forschenden das Verhältnis von Elektronen und Myonen und daraus schließlich die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung bestimmen.

Die bisherigen Messungen lieferten Hinweise darauf, dass die Energie der kosmischen Strahlung eine Obergrenze besitzt. Ereignisse mit noch höheren Energien treten praktisch nicht auf. Die genaueren Daten zur Zusammensetzung der kosmischen Strahlung sollen dazu beitragen, diese Grenzenergie besser zu verstehen: Sie liegt etwa hundert Millionen Mal höher als die der leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger der Erde. Zur Erklärung kommen dafür zwei Mechanismen infrage: Entweder wird noch energiereichere kosmische Strahlung durch die sogenannte Hintergrundstrahlung abgebremst, die das gesamte Universum ausfüllt. Oder aber es sind die riesigen kosmischen Teilchenbeschleuniger selbst – zum Beispiel Schwarze Löcher – die hier an ihre Grenzen stoßen. Mithilfe von AugerPrime wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese fundamentale Frage nach den Quellen der kosmischen Strahlung beantworten.