Live: Kosmische Strahlen aus Minnesota

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Bildcredit: Fermilab, NuMI, NOvA Collaboration

Beschreibung: Kosmische Strahlung aus dem Weltraum rast jede Sekunde durch unsere Körper. Normalerweise schadet sie nicht. Dieses Bild zeigt einige dieser schnellen Teilchen als Streifen in Fermilabs NOvA Far Detector in Ash River (Minnesota, USA). Das Bild wird alle 15 Sekunden aktualisiert, doch es visualisiert nur kosmische Strahlen, die in einem (veränderlichen) kleinen Bruchteil dieser Zeit auftraten, und es zeigt hauptsächlich eine Teilchenart: Myonen.

Die Hauptaufgabe des NOvA Far Detector  besteht jedoch nicht darin, kosmische Strahlung zu messen, sondern einen Strahl Neutrinos, der in einer Entfernung von 810 Kilometern am Fermilab in Chicago (Illinois, USA) von NuMI durch die Erde geschossen wird. Es werden jedoch nur wenige Neutrino-Ereignisse pro Woche von NOvA erwartet. Das NuMINOvA-Experiment ermöglicht der Menschheit, die Nature von Neutrinos besser zu erforschen, zum Beispiel wie häufig sie auf ihrer Reise ihre Art wechseln.

Kosmische Strahlung wurde erst vor etwa 100 Jahren entdeckt und kann nicht nur das Gedächtnis eines Computers verändern, sondern hat vermutlich auch DNAMutationen hervorgerufen, die schließlich zum Menschen führten.

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Neutrino trifft zeitgleich mit fernem Blazarstrahl ein

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Illustrationscredit: DESY, Labor für Wissenschaftskommunikation

Beschreibung: Mit Geräten, die unter dem Südpol der Erde tief im Eis eingefroren sind, hat die Menschheit anscheinend ein Neutrino aus dem fernen Universum entdeckt. Falls das bestätigt wird, markiert es den ersten eindeutigen Nachweis kosmologisch weit entfernter Neutrinos und den Beginn eines beobachteten Zusammenhangs zwischen energiereichen Neutrinos und kosmischer Strahlung, die durch mächtige Ströme aus aufflackernden Quasaren (Blazare) erzeugt werden.

Nachdem der antarktische IceCube-Detektor im September 2017 ein energiereiches Neutrino gemessen hatte, begannen viele der weltweit größten Observatorien mit der Suche nach seinem Gegenstück im sichtbaren Licht. Und sie fanden es. Ein solches Gegenstück wurde unter anderem vom Weltraumobservatorium Fermi der NASA ermittelt, welches herausfand, dass der Gammastrahlenblazar TXS 0506+056 in der richtigen Richtung stand und die Gammastrahlen eines Blitzes fast exakt zeitgleich mit dem Neutrino eintrafen. Obwohl diese und weitere Übereinstimmungen von Position und Zeit statistisch stark sind, warten Astronomen weitere ähnliche Zusammenhänge zwischen Neutrinos und Blazar-Licht, um ganz sicher zu gehen.

Diese künstlerische Darstellung zeigt einen Teilchenstrahl, der von einem Schwarzen Loch im Zentrum eines Blazars ausströmt.

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Das beobachtbare Universum

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Illustrationscredit und Lizenz: Wikipedia, Pablo Carlos Budassi

Beschreibung: Wie weit können Sie sehen? Alles, was Sie jetzt gerade sehen können und könnten, wenn Ihre Augen alle Arten von Strahlung um Sie herum erkennen würden, ist das beobachtbare Universum.

Im elektromagnetischen Spektrum stammt das Fernste, das für uns sichtbar ist, vom kosmischen Mikrowellenhintergrund aus einer Zeit vor 13,8 Milliarden Jahren, als das Universum undurchsichtig wie dicker Nebel war. Einige Neutrinos und Gravitationswellen, die uns umgeben, kommen sogar von noch weiter draußen, doch die Menschheit hat noch keine Technologie, um sie zu erkennen.

Dieses Bild veranschaulicht das beobachtbare Universum in einem zunehmend kompakteren Maßstab mit Erde und Sonne im Zentrum, umgeben von unserem Sonnensystem, nahen Sternen, nahen Galaxien, fernen Galaxien, Fasern aus früher Materie und der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Kosmologen gehen üblicherweise davon aus, dass unser beobachtbares Universum nur der nahe Teil eines größeren Ganzen ist, das als „das Universum“ bezeichnet wird, wo die gleiche Physik gilt. Doch es gibt einige Zeilen beliebter, aber spekulativer Überlegungen, die behaupten, unser Universum wäre Teil eines größeren Multiversums, in dem entweder unterschiedliche Naturkonstanten auftreten, andere physikalische Gesetze gelten, höhere Dimensionen wirken oder in denen es leicht abweichende Versionen unseres Standarduniversums gibt.

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Ferne Neutrinos unter dem Eis der Antarktis aufgespürt

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Bildcredit: IceCube Collaboration, U. Wisconsin, NSF

Beschreibung: Woher kommen diese Neutrinos? Das IceCube-Neutrino-Observatorium in der Nähe des Südpols der Erde begann, fast unsichtbare Teilchen mit sehr hoher Energie aufzuspüren. Diese kaum wechselwirkenden Neutrinos durchdringen kurz vor ihrer Ortung fast die ganze Erde, und es ist ein Rätsel, woher sie stammen. Das antarktische Labor IceCube ist hier zusammen mit einer Skizze abgebildet, auf der lange Detektorstränge zu sehen sind, die in das kristallklare Eis darunter eingefroren sind. Mögliche Quellen dieser kosmischen Neutrinos sind die stürmischen Nahbereiche sehr massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren ferner Galaxien sowie gigantische Sternexplosionen, die ihren Höhepunkt als Supernovae oder Gammablitze im fernen Universum erreichen. Wenn IceCube künftig immer mehr energiereiche Neutrinos aufspürt, könnten Übereinstimmungen mit bekannten Objekten dieses kosmische Rätsel lösen – vielleicht aber werden wir es nie erfahren.

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Eisfischen nach kosmischen Neutrinos

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Credit: NSF / B. Gudbjartsson, IceCube Collaboration

Beschreibung: Wissenschaftler schmelzen Löcher in das untere Ende der Welt. Fast 100 Löcher wurden nahe dem Südpol geschmolzen und werden nun als astronomische Observatorien verwendet. Astronomen versenkten für das IceCube Neutrino Observatory in jeden der senkrechten Seen einen langen Strang, der mit basketball-großen Lichtdetektoren verknotet ist. Das Wasser in jedem Loch gefriert bald darauf wieder. Die Detektoren an den Strängen sind empfänglich für blaues Licht, das im klaren Eis der Umgebung abgegeben wird. Solches Licht wird bei Kollisionen im Eis von energiereichen Neutrinos erwartet, die von Objekten oder Explosionen draußen im Universum abgestrahlt werden. Oben ist zu sehen, wie Ende letzten Jahres der letzte der 86 Stränge von IceCube in den gefrierenden Abgrund versenkt wurde. Damit ist IceCube der größte Neutrinodetektor, der je gebaut wurde. Daten von einem früheren Experiment, AMANDA, wurden bereits dazu verwendet, um die erste detailreiche Karte des hochenergetischen Neutrinohimmels zu erstellen. Zu den Zielen des neueren IceCube-Experiments gehört die Suche nach kosmischen Neutrinoquellen, eine Suche nach Neutrinos, welche zeitgleich mit nahe gelegenen Supernovae und fernen Gammablitzen auftreten, und – mit viel Glück – ein Einblick in exotische physikalische Konzepte wie unsichtbare Raumdimensionen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit.

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