Den Himmel kann man nicht nur mit Licht beobachten. Seit vielen Jahren schon benutzen Astronomen die geisterhaften, flüchtigen Neutrinos, um mehr über andere Sterne und Galaxien herauszufinden. Diese Teilchen gibt es überall – aber sie sind enorm schwer zu registrieren. Aber der Versuch lohnt sich, denn langsam entsteht so eine völlig neue Art der Astronomie.

Sternengeschichten-Cover

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Transkription

Sternengeschichten Folge 103

In der letzten Folge der Sternengeschichten habe ich über die Gravitationswellenastronomie gesprochen. Sie stellt eine Möglichkeit dar, wie Astronomen den Himmel beobachten können, ohne dabei – wie sonst – Licht oder andere Formen der elektromagnetische zu benutzen. So eine “Lichtlose” Astronomie würde viele neue Möglichkeiten bieten, Dinge zu untersuchen, die man sonst nie untersuchen würde können. Bis heute ist allerdings ein direkter Nachweis von Gravitationswellen nicht gelungen, auch wenn es jede Menge indirekte Belege für ihre Exisenz gibt. Aber solange man sie mit ensprechenden Geräten nicht direkt nachweisen kann, bleibt auch die Gravitationswellenastronomie nur hypothetisch.

Das erste Neutrino wurde in einer Blasenkammer entdeckt (Bild: Argonne National Laboratory)

Das erste Neutrino wurde in einer Blasenkammer entdeckt (Bild: Argonne National Laboratory)

Eine andere Form der “alternativen” Astronomie ohne Licht existiert allerdings schon ansatzweise. Sie basiert auf der Beobachtung von Neutrinos.

EIn Neutrino ist ein Elementarteilchen. Als man in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts langsam begann, den Inneren Aufbau des Atoms besser zu verstehen und verschiedene Arten der Radioaktivität erforschte, stellte man etwas seltsames fest. Beim sogenannten “Beta-Minus-Zerfall” schienen die beteiligten Teilchen vor dem Zerfall mehr Energie zu haben als die Zerfallsprodukte danach. Und das ist tatsächlich seltsam – denn eigentlich müsste ja der Energieerhaltungssatz gelten. Die Energie vorher muss genau so groß sein wie danach. Um dieses Problem zu lösen schlug 1930 der Physiker Wolfang Pauli die Existenz eines noch unentdeckten neuen Teilchens vor.

Dieses Teilchen sollte ebenfalls beim radioaktiven Zerfall produziert werden, eine gewisse Energie haben und da man von seiner Existenz nichts wusste und man es nicht registrieren konnte, schien beim Zerfall eben genau diese Energie am Ende zu fehlen. Das flüchtige Teilche bekam den Namen “Neutrino”. Es sollte elektrisch nicht geladen sein und musste eine sehr geringe Masse haben.

Und Pauli war sich auch sicher, dass seine Existenz sehr schwer nachweisbar wäre – und hatte damit vollkommen recht. So ein Neutrino unterliegt so gut wie gar nicht der elektromagnetischen Kraft. Diese Kraft aber ist es, die für so gut wie alle Phänomene in unserem Alltag verantwortlich ist. Wenn wir zum Beispiel durch die Gegend laufen und den festen Boden unter unseren Füßen spüren, dann spüren wir eigentlich die elektromagentische Abstoßungskraft zwischen den äußersten Atomen der Materie unserer Füße und den äußersten Atomen der Materie des Bodens. Licht selbst ist eine elektromagnetische Welle und wenn wir Dinge sehen können, dann liegt das daran, dass ihre Materie mit diesen Wellen wechselwirken kann. Das Licht wird von den Atomen abgelenkt, reflektiert oder absorbiert. Materie aber, die nicht der elektromagnetischen Kraft unterliegt, ist für uns unsichtbar. Und auch unspürbar.

Ein Neutrino könnte mitten durch unseren Körper fliegen, ohne das wir davon etwas spüren oder sehen. Diese Teilchen unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung (eine andere der 4 Grundkräfte der Natur, die ich in Folge 46 der Sternengeschichten schon erklärt habe) und das macht ihren Nachweis enorm schwierig. Er ist erst im Jahr 1956 gelungen. Trifft ein Neutrino auf ein normales Proton, dann entstehen bei dieser Kollision durch die schwache Wechselwirkung ein Neutron und ein Positron. Protonen und Neutronen sind die beiden Bauststeine, aus denen normale Atomkerne bestehen. Die kann man also leicht untersuchen. Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen, also Antimaterie. Und auch Elektronen sind Teil der ganz normalen Materie und überall zu finden. Hat ein Neutrino also ein Proton in ein Neutron und ein Positron umgewandelt, dann trifft das neu geschaffene Positron schnell auf ein Elektron, beide vernichten sich gegenseitig und es entsteht Energie. Das Neutron kann von einem anderen Atomkern eingefangen werden und auch dabei wird Energie frei. Die Art und Menge der Energie die bei diesen beiden Prozessen entsteht ist ganz charakteristisch und kann man beide Ereignisse gleichzeitig beobachten, dann ist das ein eindeutiger Hinweis, dass zuvor ein Neutrino auf ein Proton getroffen sein muss.

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Kommentare (11)

  1. #1 Berenisis
    14. November 2014

    Mich würde interessieren, ob Du der Meinung bist, dass die Kritik an Matt Taylors buntes Hemd berechtigt ist oder nicht: http://www.theverge.com/2014/11/13/7213819/your-bowling-shirt-is-holding-back-progress (von seinen Tatoos ganz zu schweigen). Müssen bzw. dürfen Astronomen so weltfremd und weltentrückt sein, ist es eine Provokation, Gedankenlosigkeit, wollte er eine gesellschaftliche Debatte lostreten oder ist die Reaktion von The Verge überzogen?

  2. #2 Florian Freistetter
    14. November 2014

    @Berenisis: “Mich würde interessieren, ob Du der Meinung bist, dass die Kritik an Matt Taylors buntes Hemd berechtigt ist oder nicht”

    Das hat mit dem Thema des Podcasts aber nun wirklich nichts zu tun. Aber ja, die Kritik ist berechtigt. Siehe dazu zb hier:

    http://smallpondscience.com/2014/11/12/new-requirement-for-scientists-you-cannot-be-a-sexist-pigdog/
    http://inversesquare.wordpress.com/2014/11/12/what-not-to-wear-to-a-comet-landing/
    http://amandabauer.blogspot.de/2014/11/but-i-didnt-mean-like-that.html
    http://www.theguardian.com/science/2014/nov/13/why-women-in-science-are-annoyed-at-rosetta-mission-scientists-clothing

  3. #3 McPomm
    14. November 2014

    Der Begriff “Kosmische Strahlung” kann ja sowohl für elektromagnetische Strahlung (Photonen) als auch für Strahlung von hochenergetischen Teilchen im eigentlichen Sinne (Atome, Moleküle, Protonen, freie Elektronen etc.) verstanden werden. Gibt es da auch schon Observatorien für? Also gibt es neben Licht-, Gravitations- und Neutrino-Astronomie auch Teilchenstrahlungsastronomie?

  4. #4 McPomm
    14. November 2014

    Ah. Wie ich sehe, gibt es bereits ein Projekt, das sich mit Teilchenastronomie beschäftigt: http://en.wikipedia.org/wiki/Telescope_Array_Project

    Der Vorgänger-Detektor http://en.wikipedia.org/wiki/High_Resolution_Fly%27s_Eye_Cosmic_Ray_Detector hat ein extrem hochenergetischen Teilchen (wahrscheinlich ein Proton) entdeckt. Kam aus der Region
    Das Herkunftsgebiet liegt bei α = 5h 40m 48s ± 0h 2m, δ =48° ± 6° (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Oh-My-God-Teilchen). Da kamen wohl noch ein paar mehr solche Teilchen her.

  5. #5 Florian Freistetter
    14. November 2014

    @McPomm: “Gibt es da auch schon Observatorien für?”

    Klar, kosmische (Teilchen)Strahlung wird auch beobachtet. Zb hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Pierre-Auger-Observatorium

  6. #6 McPomm
    14. November 2014

    Klar, kosmische (Teilchen)Strahlung wird auch beobachtet. Zb hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Pierre-Auger-Observatorium

    Ja, hatte ich auch bereits geschrieben. Aber das Posting ist irgendwie verschwunden. Oder noch im Filter…

    Interessant ist auch http://en.wikipedia.org/wiki/Telescope_Array_Project.

  7. #7 Bernhard
    München
    14. November 2014

    Dass bei Neutrino-Observatorien unerwünschte Neutrinos abgeschirmt werden stimmt nicht. Störend ist das Licht aus anderen Quellen und vor allen die kosmische Strahlung. Außerdem lassen sich Neutrinos gar nicht abschirmen.

    Interessant ist auch dass man Neutrinos aus den irdischen Kernreaktoren beobachten kann.

  8. #8 Karl Heinz
    Puchheim
    14. November 2014

    Ein Neutrino macht sich durch einen Lichtblitz im Wassertank bemerkbar. Hat dieses Photon denn eine Vorzugsrichtung (wie im Laserlicht) ? Ich kann mir nicht vorstellen, wie man sonst aus dem “Lichtblitz” auf die Richtung zurückschließen kann, aus dem das Neutrino angekommen ist. Der Rückschluss auf die Energie erfolgt ja wohl über die Wellenlänge des erzeugten Lichtes – oder?

  9. #9 Christoph Seufert
    15. November 2014

    @Bernhard: Die Neutrinos von Kernreaktoren nutzt man ja auch aktiv in Experimenten, z.B. http://dayabay.ihep.ac.cn/twiki/bin/view/Public/

    Ich finde es generell faszinierend wie in den letzten Jahren die beschleunigerlose Elementarteilchenphysik mit unzähligen Experimenten an Bedeutung gewonnen hat.

  10. […] Zufall) habe ich erst kürzlich über ein Projekt zur Neutrinobeobachtung berichtet und auch eine Podcastfolge zur “Neutrinoastronomie” veröffentlicht. Darin habe ich das erwähnt, was vermutlich auch jeder zur journalistischen […]

  11. […] nutzbare Energiequelle.” Dass daraus nichts wird, liegt allerdings nicht alleine an den interaktionsunwilligen Neutrinos, sondern auch an fehlendem Personal. In Deutschland wird das Projekt durch einen Anwalt für […]