Astronomen gehen davon aus, dass unser Universum ungefähr 14 Milliarden Jahre alt ist. Während dieser Zeit hat es sich stark verändert, zum Beispiel durch die Entstehung von neuen Galaxien, welche elektromagnetische Wellen ausstrahlen, darunter auch optisch wahrnehmbares Licht. Ein kleiner Teil davon wird absorbiert, das meiste hingegen bleibt im Universum erhalten. Insofern kann man sich das Universum auch als einen Hintergrund aus unsichtbarer elektromagnetischer Strahlung vorstellen. Da hochenergetische Strahlen mit niederenergetischen wechselwirken, gingen Astronomen lange Zeit davon aus, dass aufgrund dieses enormen universalen Strahlungshintergrundes nur hochenergetische Strahlen von sehr nahen aktiven Galaxien auf der Erde detektiert werden können – der Rest würde absorbiert.

Eine soeben in „Science“ erschienene Publikation von Wissenschaftlern der „MAGIC Collaboration“ (siehe Kasten) kommt nun aber zu einem anderen Schluss. Es gelang dem Team erstmals hochenergetische Gammastrahlung, die von dem mehr als 5 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar 3C 279 stammt, auf der Erde zu detektieren. Ein Quasar ist eine aktive Galaxie, in der ein gewaltiges schwarzes Loch mit mehr als einer Milliarde Sonnenmassen ungeheure Energiemengen in unterschiedlichen Wellenlängen-Bereichen abstrahlt. „Die Ergebnisse zeigen, dass der Strahlungshintergrund im Universum deutlich weniger dicht ist als erwartet“, sagt Adrian Biland vom Institut für Teilchenphysik (IPP) der ETH Zürich. Zusammen mit sieben weiteren ETH-Physikern ist er Teil der „MAGIC Collaboration“, welche als Autorenschaft die Publikation zeichnet.

Nach Berechnungen der Wissenschaftler entspricht die Dichte der Hintergrund-Strahlung im Universum in etwa der erwarteten Strahlungsintensität aller aus der Astrophysik bekannten Himmelskörper. Ein Befund, der die These widerlegen könnte, wonach auch Licht im Universum vorhanden sei, welches von noch völlig unbekannten Objekten stammt, die es im frühen Universum gegeben haben könnte. „Falls es also tatsächlich einmal uns heute unbekannte Arten von Himmelskörpern gab, so müssten diese ganz anderer Natur sein als die heute bekannten Sterne. Sonst wäre ihr Licht auch heute noch im Strahlungshintergrund erkennbar“, sagt Biland.

Hochenergie-Physik mit Potenzial

Biland und die „MAGIC Collaboration“ sind im relativ jungen Gebiet der Astro-Teilchenphysik tätig und befassen sich mit der „Very-high-energy“ (VHE)-Gammastrahlung. Die ursprüngliche Energie dieser Strahlung liegt zwischen 50 Giga-Elektronenvolt und mehreren Tera-Elektronenvolt, also einer Strahlung mit einer Wellenlänge, die mehr als eine Milliarde Mal kürzer ist als diejenige des Sonnenlichts. Gemessen wird die (VHE)-Gammastrahlung mit dem MAGIC-Teleskop auf der kanarischen Insel La Palma. Dieses nutzt für die Messung den Cherenkov-Effekt, der vereinfacht gesagt das optische Equivalent zum Überschall-Knall ist. Anstelle eines Knalls resultiert die Geschwindigkeit der Teilchen jedoch in einem Blitz. Sprich: geladene Teilchen können sich in der Atmosphäre schneller ausbreiten, als die dazugehörige elektromagnetische Strahlung. Die normalerweise symmetrische Polarisation der Atome kann sich dadurch nicht mehr ausgleichen, was zum Abstrahlen von so genannter Cherenkov-Strahlung führt.

Wenn ein VHE-Lichtteilchen in die Atmosphäre eindringt, erzeugt es einen so genannten Air-Shower aus tausenden von Elektronen und Positronen, die alle Cherenkov-Strahlung aussenden. Diese Mini-Blitze werden von den 934 Aluminiumspiegeln des MAGIC-Teleskops, das im Kegel dieses „Showers“ steht, aufgefangen und mit einer Hochleistungskamera mit zwei Milliarden Bilder pro Sekunde aufgenommen. Davon werden schliesslich etwa 1000 ausgewählt. Das Hauptproblem besteht darin, dass neben den sehr seltenen VHE-Photonen auch die mehr als 10’000 Mal häufigeren Teilchen der kosmischen Strahlung ähnliche Air-Showers erzeugen und das eigentliche Messsignal in diesem Untergrund gefunden und interpretiert werden muss.

VHE-Gammastrahlung ist keine Ausnahmeerscheinung

Die Messungen im Bereich der VHE-Gammastrahlung bieten der Astronomie laut Biland die einzigartige Möglichkeit, astronomische Gesetzmässigkeiten in neuen Energiebereichen zu überprüfen. So konnte mit der „Science“-Publikation zum Beispiel das „Blazar Sequence“-Modell, wonach die energetischsten Objekte auch die hellsten seien, widerlegt werden. Bisher galt unter Astronomen zudem die Meinung, dass VHE-Gammastrahlung astronomische Ausnahmeerscheinungen sind. Mit einem ständig wachsenden Datensatz konnte innerhalb weniger Jahre eine ganze Reihe von verschiedenen Klassen aktiver Galaxien, aber auch verschiedene Supernova-Reste in der Milchstrasse als VHE-Gammastrahler identifiziert werden. „Es wurden sogar Quellen beobachtet, welche mit bisherigen Messungen in keinem anderen Wellenlängenbereich gefunden wurden. Es scheint also auch Objekte zu geben, die nur im VHE-Gammabereich strahlen – ein Phänomen, dessen Ursache heute noch nicht bekannt ist“, sagt Biland.

Das Potential der Astro-Teilchenphysik gerade im (VHE)-Gammabereich wird von Wissenschaftlern und Forschungsinstitutionen auf der ganzen Welt erkannt: Im September dieses Jahres wird ein zweites MAGIC-Teleskop auf La Palma in Betrieb genommen, dank dem Stereobeobachtungen und dadurch exaktere Messungen möglich werden. Weitere ähnliche Installationen existieren in Namibia (H.E.S.S.), Australien (CANGAROO) und den USA (VERITAS). Zudem läuft momentan das Planungsverfahren für das „Cherenkov Telescope Array“ (CTA)-Projekt, an dem mehr als 40 europäische Forschungsinstitute mitarbeiten und welches die Inbetriebnahme von rund 100 Cherenkov-Teleskopen vorsieht. „Eine solche Anlage ermöglicht uns einen ganz neuen Blick ins Universum“, ist Biland überzeugt.

Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC)

MAGIC ist das weltweit grösste Gammastrahlungs-Teleskop und wird von einer grossen Kollaboration von über 150 Forschern aus ganz Europa betrieben. Das Teleskop wurde im Jahr 2003 auf dem Roque de los Muchachos, dem höchsten Berg La Palmas (2500 Meter), in Betrieb genommen. Das Teleskop mit einem Durchmesser von 17 Meter und 236 Quadratmeter Spiegelfläche, misst einzig in der Nacht, wird jedoch rund um die Uhr von einem Team von Wissenschaftlern vor Ort betreut.

Literaturhinweis

The MAGIC Collaboration: Very-High-Energy Gamma-Rays from a Distant Quasar: How transparent ist the Universe? 27 June 2008 Science 320: 1752-1754; doi:  10.1126/science.1157087