AMS-02 - Antimaterie-Jäger im Weltall

29 April 2011

Das Space Shuttle Endeavour wird auch das Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS-02) zur ISS bringen. AMS-02 ist ein hochmodernes Instrument zur Erfassung kosmischer Strahlung, um die grundlegenden Eigenschaften von Materie und den Ursprung des Universums zu untersuchen.

Ergänzend zur Arbeit mit dem Large Hadron Collider, kurz LHC, am CERN in der Schweiz suchen Wissenschaftler nach einem besseren Verständnis für Antimaterie und Dunkle Materie.

AMS begibt sich auf eine Mission zur Erkundung weit entfernter und unerforschter Bereiche unseres Universums, wo möglicherweise Antworten auf lang gehegte Fragen zur Teilchenphysik sowie Kosmologie gefunden und unerwartete Phänomene entdeckt werden.

„Niemals in der Geschichte der Wissenschaft waren wir uns unserer Ignoranz so bewusst: Wir wissen, dass wir über 95% dessen, was unser Universum ausmacht, nichts wissen.“ sagt Prof. Roberto Battiston, stellvertretender Sprecher des AMS-02-Projekts.

Einfangen der kosmischen Strahlung

AMS-02 auf der linken Seite des zentralen Trägers der ISS angebracht

Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte wurden im Bereich der Astrophysik viele grundlegende Entdeckungen, wie etwa die der Pulsare, Mikrowellenhintergrundstrahlung und Gammastrahlenausbrüche, gemacht.

Die kosmische Strahlung hingegen trifft auf eine dünne und dennoch effektive Mauer: Die Erdatmosphäre absorbiert und verändert geladene Teilchen, sodass sie am Boden nur schwer zu messen sind. Zudem kann ihre elektrische Ladung nur durch ihre Flugbahn in einem Magnetfeld nachgewiesen werden.

Das AMS-02, das auch schon als „Hubble-Weltraumteleskop der kosmischen Strahlung“ bezeichnet wird, soll primäre kosmische Strahlung sammeln, die nach einer Reise von mehreren hundert Millionen Lichtjahren durch starke Magnetfelder beschleunigt wird.

AMS-2

Da sich nun ein magnetischer Detektor im All befindet, warten Astronomen und Teilchenphysiker ungeduldig auf erste Messdaten.

„Das Aufregendste am AMS-Experiment ist die Erforschung des Unbekannten, die Suche nach in der Natur vorkommenden Phänomenen, für die uns bisher die Vorstellungskraft und die Werkzeuge zu ihrer Entdeckung fehlten.“ sagt Nobelpreisträger Prof. Samuel Ting vom MIT, Leiter des AMS-Projekts.

Internationale Kooperation

AMS-02

Die ISS ist ein einzigartiges Objekt. Stabilität und lange Nutzungsdauer sowie die Möglichkeit der Wartung an Bord machen die ISS zur idealen Plattform für das AMS-Experiment. Die Raumstation ist in der Lage, AMS-02 mit den notwendigen Ressourcen zu versorgen (Downlink, Energie, Verweildauer und Reboost-Fähigkeit), die mit einem frei fliegenden Satelliten wesentlich schwieriger zu erreichen wären.

AMS-02 wird nicht nur das größte und umfangreichste wissenschaftliche Instrument an Bord der ISS sein – sein Magnetfeld ist 4000-mal stärker als das der Erde – es ist darüber hinaus die größte internationale Kooperation im Rahmen eines einzelnen Experiments im All.

Das multinationale AMS-Projekt steht unter der Leitung von Nobelpreisträger Samuel Ting, während Prof. Roberto Battiston für die Koordination auf europäischer Seite verantwortlich ist. Für die erfolgreiche Umsetzung sind zum größten Teil Institute in Italien, Frankreich, Deutschland, Spanien, Portugal und der Schweiz zuständig.

Die berechnete Verteilung Dunkle Materie

In Deutschland sind das Physikalische Institut der RWTH Aachen und das Institut für Experimentelle Kernphysik der Universität Karlsruhe am AMS beteiligt. Sie sind unter anderem für den Übergangsstrahlendetektor, Komponenten des Spurdetektors und eine seitliche Teilchenabschirmung verantwortlich.

Weltweit wirken außerdem China, Russland, Taiwan und die USA am AMS-02 mit. Insgesamt bilden Vertreter aus 56 Instituten in 16 Ländern das Experiment-Team.

AMS-02 wird an Bord der ISS in einer Höhe von rund 300 km die Erde umkreisen und mit einer beispiellosen Genauigkeit von einem Teil in 10 Milliarden die Zusammensetzung der primären kosmischen Strahlung untersuchen, neue Grenzen der Teilchenphysik erkunden, nach Ur-Antimaterie suchen und die Natur Dunkler Materie erforschen.

Antimaterie

The proton synchrotron accelerator tunnel at CERN
Protonensynchrotron am CERN

Das Alpha-Magnet-Spektrometer wird hochenergetische kosmische Strahlung untersuchen und Wissenschaftlern neue Erkenntnisse liefern zur Frage, warum im sichtbaren Universum ein auffälliges Übergewicht von Materie zu Antimaterie besteht. AMS wird bis an den Rand des sichtbaren Teils des Universums nach Antimaterie suchen.

Normale sichtbare Materie, wie Sterne, Planeten und Galaxien, macht weniger als 5 % des Universums aus. Theorien und indirekten Beobachtungen zufolge bestehen die restlichen 95 % aus „Dunkler Materie“ und „Dunkler Energie“, über die aber wenig bekannt ist.

Dunkle Materie

3D-Darstellung der Verteilung Dunkler Materie im Universum

Man nimmt an, dass Dunkle Materie bis zu 23 % der Masse des Universums ausmacht. Sie wurde bisher noch nicht direkt aufgespürt, ihre Existenz lässt sich aber aufgrund ihrer Gravitationswirkung auf andere Objekte belegen. Ihr Ursprung und ihre Struktur bleiben ein Rätsel. Sie besteht möglicherweise aus „Neutralinos“, hypothetische Teilchen, die indirekt von AMS-02 entdeckt werden könnten.

Prof. Tings Experiment wird die Empfindlichkeit der Suche um etwa das Tausend- bis eine Millionfache erhöhen, womit sich eine völlig neue Dimension bei der Suche nach Neutralinos oder Anderem ergibt. AMS-02 entdeckt unter Umständen sogar eine neue, exotische Form von Materie, deren Existenz von Wissenschaftlern prognostiziert wird: ein sehr schweres Elementarteilchen mit Namen „Strangelet“ („seltsame Materie“).

Dunkle Energie

Bestandteile des Universums

Abstoßende Dunkle Energie, von der man annimmt, dass sie die Expansion des Kosmos beschleunigt, macht den Rest aus und über sie ist noch weniger bekannt. Obwohl man nicht erwartet von AMS-02 viel mehr über Dunkle Energie zu erfahren, werden die Beobachtungen das Gesamtbild über die Zusammensetzung des Universums beeinflussen und so das Geheimnis der Dunklen Energie näher beleuchten.

Zudem wäre die mögliche Beobachtung von Antimaterie-Kernen durch AMS-02 ein Meilenstein bei der Revolutionierung unseres Wissens über das All. Zu Beginn von Zeit und Raum bestand das Universum aus beinahe ausgeglichenen Mengen an Materie und Antimaterie. Der Kosmos, wie wir ihn heute kennen, besteht aus Materie, aber es gibt keinen zwingenden Grund, warum nicht auch Antimaterie, Antisterne und Antigalaxien existieren.

Längere Lebensdauer für AMS-02

AMS-02 im Test am ESTEC

Nach mehr als einem Jahrzehnt gemeinsamer Arbeit und Kooperation von über 600 Wissenschaftlern und Ingenieuren wird das Alpha-Magnet-Spektrometer bereits vor seinem Start als Erfolg gefeiert.

Der Beitrag der ESA zu dem Projekt bestand in der Durchführung des Thermal-Vakuum-Tests und dem Nachweis der elektromagnetischen Verträglichkeit für das Gesamtpaket.

Ausgiebige Analysen im ESA-Testzentrum ESTEC im niederländischen Noordwijk spielten eine wichtige Rolle bei der Entscheidung, den ursprünglich vorgesehenen supraleitenden Magneten durch einen permanenten mit einer längeren Lebenserwartung zu ersetzen.

Vor seiner Reise ins All wurde das Instrument im "Large Space Simulator" getestet. In dieser großen Vakuumkammer lassen sich die Bedingungen im Universum so realitätsnah wie möglich simulieren. Zusätzlich ahmen verschiedene mechanische Rüttel-Maschinen (Shaker), Akustik-Kammern und elektromagnetische Prüfstände weitere Bedingungen nach, die während des Starts und beim Betrieb im All auftreten.

Das Magnet lenkt Elektronen und Positronen in verschiedene Richtungen um

Nach den Tests haben die Payload-Manager beschlossen, einen weniger leistungsstarken, nicht-supraleitenden Magneten zu verwenden, der es ermöglicht, AMS über die geplante Nutzungsdauer der ISS hinweg zu betreiben und nicht nur für den relativ kurzen Zeitraum von drei Jahren. Das Experiment wird nicht zur Erde zurückkehren. Dank der längeren Nutzungsdauer der ISS wird AMS-02 die Zusammensetzung kosmischer Strahlung nun für weitere zehn Jahre mit höchster Präzision untersuchen können und nach seltenen Besonderheiten suchen.

AMS-02 wird, gegenüber seinem Vorgängermodell AMS-01, eine um das Tausendfache höhere Empfindlichkeit erreichen. AMS-01 war 1998 an Bord des letzten Spaceshuttle-Flugs zur Raumstation MIR für etwa zwei Wochen in der Umlaufbahn und stellte die Vorzüge der Konstruktion unter Beweis. Trotz dieser sehr kurzen Mission lieferte das Instrument ausreichende Informationen, um Physiker dazu zu bewegen, einige ihrer Modelle zu überdenken.

Mit seiner höheren Leistungsfähigkeit wird AMS-02 den Bereich des Universums, der auf die Existenz von Ur-Antimaterie untersucht werden kann, erheblich ausdehnen.

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