Kosmische Teilchenbeschleuniger bringen die Dinge in Gang

Eine vielseitige Ansammlung astrophysikalischer Stoßfronten.
18 November 2011

Die Cluster-Satelliten der ESA haben entdeckt, dass kosmische Teilchenbeschleuniger effizienter sind als bisher angenommen. Zum ersten Mal wurden die Anfangsstadien der Beschleunigung beobachtet, ein Prozess, der im gesamten Universum stattfinden könnte.

Alle Teilchenbeschleuniger müssen irgendwie mit dem Beschleunigungsprozess beginnen. Zum Beispiel werden beim großen Hadronen-Speicherring am CERN in Genf (CH) eine Reihe kleiner Beschleuniger eingesetzt, um die Teilchen auf Geschwindigkeit zu bringen, bevor sie in den ringförmigen Hauptbeschleuniger mit 27 km Umfang für die weitere Beschleunigung eingeschossen werden.

Große magnetische Felder im Weltraum führen Teilchen als sogenannte kosmische Strahlung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum, sind aber kaum in der Lage, sie überhaupt erst in Bewegung zu bringen. Nun hat die Cluster Mission der ESA gezeigt, dass in den natürlichen Teilchenbeschleunigern des Weltraums über unseren Köpfen ein ähnlicher „Stufenprozess“ stattfindet wie bei CERN.

Am 9. Januar 2005 flogen die vier Cluster-Satelliten durch eine magnetische Stoßfront hoch über der Erde. Die rotierenden Raumfahrzeuge waren nahezu perfekt am Magnetfeld ausgerichtet und konnten so bestimmen, was mit Elektronen in einem sehr kurzen Zeitmaßstab von 250 Millisekunden oder weniger passiert.

Die Messungen zeigten einen starken Temperaturanstieg der Elektronen an, was die Bedingungen für eine Beschleunigung im großen Maßstab begünstigte. Man hatte lange vermutet, dass Stoßfronten dafür verantwortlich sein könnten, aber die Schichtdicke der Stoßfronten und die genauen Einzelheiten des Prozesses waren schwer zu erfassen. Doch das ist nun anders.

Die Cluster-Raumsonden stoßen auf die Bugstoßwelle der Erde.

Prof. Steven J. Schwartz vom Imperial College in London und seine Kollegen nutzten die Cluster-Daten, um einzuschätzen, wie dick die Stoßfront ist. Dies ist wichtig, denn je dünner die Stoßfront ist, desto leichter kann sie Teilchen beschleunigen.

„Durch diese Beobachtungen haben wir herausgefunden, dass die Schicht der Stoßfront extrem dünn ist“, sagt Prof. Schwartz.

Mit „dünn“ sind in diesem Zusammenhang etwa 17 km gemeint. Frühere Schätzungen ergaben, dass die Stoßwellen über der Erde nicht mehr als 100 km dick sind.

Zum ersten Mal, wurde die Region der anfänglichen Beschleunigung in solchem Detail vermessen. Diese gewonnene Erkenntnis ist wichtig, denn Stoßwellen gibt es überall im Universum. Sie entstehen dort, wo ein schnell fließendes Medium auf ein Hindernis oder einen anderen Teilchenstrom stößt.

Ein ähnlicher Prozess findet in der Erdatmosphäre statt, wenn ein Überschallflugzeug mit der Atmosphäre kollidiert, bevor die Luftteilchen zur Seite gedrückt werden können. Sie bilden eine Stoßfront vor dem Flugzeug, die wir als Überschallknall hören.

Im Sonnensystem erzeugt die Sonne einen sich schnell bewegenden, elektrisch geladenen Teilchenwind. Trifft er auf das Magnetfeld der Erde, entsteht vor unserem Planeten eine permanente Stoßwelle.

Das Cluster-Programm ist an der Untersuchung dieses Phänomens maßgeblich beteiligt und die neuen Ergebnisse auf diesem Gebiet könnten in größerem Maßstab angewandt werden. Stoßwellen finden sich auch im Umfeld von explodierenden Sternen, jungen Sternen, schwarzen Löchern und ganzen Galaxien. Weltraumwissenschaftler vermuten, dass sie der Ursprung der hochenergetischen kosmischen Strahlung sein könnten, die sich im ganzen Universum befindet.

Flug-Ingenieure arbeiten im Cluster-Kontrollraum.

Die Cluster-Satelliten, die vom Europäischen Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt (DE) gesteuert werden, haben gezeigt, dass die sehr dünnen Stoßwellen wichtig für den Anschub des Beschleunigungsprozesses an diesen Orten sein könnten. Es mag vielleicht nicht die einzige Art und Weise sein, wie die Dinge in Gang gesetzt werden, aber es ist definitiv eine Möglichkeit.

„Dieses neue Ergebnis offenbart die Größe der sprichwörtlichen ‚Blackbox‘, in der die möglichen Mechanismen der Teilchenbeschleunigung stattfinden“, sagt Matt Taylor, Cluster-Projektwissenschaftler der ESA. „Wieder einmal gewährte uns Cluster einen klaren Einblick in einen physikalischen Prozess des Universums.“

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