Frage: Hallo Maria! Ich finde Ihr Themengebiet ziemlich interessant. Aber was meinen Sie mit Teilchenbeschleuniger im Weltall und was ist das eigentlich?

Maria Haupt Beantwortet am 12 Nov 2021:

Hallo Sascha

Wir suchen natürlich nicht nach Teilchenbeschleunigern, so wie wir sie auf der Erde bauen. Sondern wir suchen nach natürlichen Quellen im Weltall. Diese sind meist stellaren Ursprungs, das heißt, es handelt sich im engeren oder weiteren Sinne um Sterne. Es gibt aber auch Galaxienkerne, die kosmische Teilchen beschleunigen können. Es gibt ganz verschiedene Objekte. Einige Beispiele sind Supernova Überreste, Pulsare, Pulsarwindnebel, Doppelsternsysteme, stellare Cluster, kollidierende Sterne oder eben auch schwarze Löcher.
Was man braucht, um Teilchen zu Beschleunigen, sind sogenannte Schocks. Einen Schock kann man sich wiefolgt vorstellen. Ein Teilchenwind – also Teilchen, die zusammen in eine Richtung „fliegen“ – treffen auf andere Teilchen im Weltall. Da sie extrem hohe Geschwindigkeiten haben, prallen sie so doll aufeinander, dass eine „Teilchenwand“ entsteht. Ein bisschen kann man sich das vorstellen, wie wenn man zwei Wasserstrahlen aufeinander hält und diese sich in der Mitte treffen. Es entsteht eine „Wand“ aus Wasser und die Wassertropfen fliegen zur Seite weg. Nur, dass die Teilchen nicht zur Seite aus dem Schock entkommen können, weil überall um sie herum andere Teilchen sind. Sie fliegen also hin und her und können auch durch diese Wand hindurchwandern (es ist ja keine feste Wand aus Stein, sondern nur eine Grenze, an der die Teilchen aufeinandertreffen und wieder weggestoßen werden, wenn sie auf ein anderes Teilchen treffen). Jedes Mal, wenn ein Teilchen durch diese Wand durchgeht, bekommt es neuen Schwung – wir sagen, es bekommt mehr Energie. Je mehr Energie das Teilchen hat, desto schneller wird es. Wenn es schnell genug ist, dann kann es tatsächlich diesen Schock verlassen und durch das Weltall wandern.
Diese Teilchen sind vor allem Elektronen und Protonen. Da diese Teilchen geladen sind, werden sie im Magnetfeld der Galaxie angelenkt. Also alle Teilchen, die auf der Erde landen und die wir messen, haben schon einen weiten Weg durch unsere Galaxie (oder das ganze Weltall) zurückgelegt. Wo genau sie herkommen, können wir aber nicht mehr sagen, weil sie auf ihrem weg schon ganz viele Kurven geflogen sind. Aber, diese Teilchen können ihre Energie auch wieder abgeben und zwar in Form von Lichtteilchen. Wenn ein Elektron zum Beispiel in einem Magnetfeld um die Kurve fliegt, dann wird es langsamer und es entsteht Licht. Wenn die Elektronen (oder Protonen) nun gleich in der Nähe von dem Schock, in dem sie beschleunigt wurden, ihre Energie wieder in Form von Licht abgeben, dann kann das Licht auf geradem Weg zu uns kommen (Licht wird im Magnetfeld nicht abgelenkt, da es nicht geladen ist). Und wenn wir dieses Licht sehen, dann wissen wir, wo diese Teilchen beschleunigt wurden. Genau dieses Licht messen wir mit unseren Teleskopen. Dieses Licht kann nun auch ganz viele verschiedene Energien (und damit Wellenlängen haben – also verschiedene Farben haben). Wir sehen mit unseren Augen nur einen ganz kleinen Bereich, nämlich zwischen 380 und 780 nanometern. Also von violett über blau, grün und gelb bis hin zu rot. Aber es gibt auch Licht mit größeren oder kleineren Wellenlängen. Das Licht, das wir suchen, kann auch ganze viele verschiedene Wellenlängen haben. Wir müssen am besten in allen Bereichen messen, damit wir genau verstehen, welche Teilchen beschleunigt wurden und wie sie ihre Energie wieder verloren haben. Aber Licht mit ganz hohen Energien, also kleinen Wellenlängen kann nur von kosmischen Teilchen mit ganz hohen Energien erzeugt werden. Wenn wir so ein Licht sehen, wissen wir, dass dort, wo es herkommt, Teilchen sehr stark beschleunigt wurden.
Die Teleskope sagen uns also erst einmal, wo dieses Licht und damit diese Teilchen herkommen. Um zu verstehen, wie diese Teilchen beschleunigt werden und wie sie ihre Energie wieder in Form von Licht abgegeben haben, müssen wir auch in anderen Wellenlängenbereichen das Licht messen und wir brauchen TheoretikerInnen, die Modelle entwickeln, um das alles zu erklären.

Durch die Messungen wissen wir also, wo die Teilchen herkommen und weil wir ganz viele informationen haben, können wir auch sagen, was das für ein Objekt ist. Zum Teil können wir sogar die Strukturen um das Objekt sehen, also auch, dass es da eine Schockfront gibt. Und die theoretischen Modelle sagen uns dann, wie diese Teilchen beschleunigt werden. Das beides zusammen hat dazu beigetragen, dass wir verstehen, in welchen Objekten die Teilchen beschleunigt werden. Die Objekte, die ich oben genannt habe, sind genau die Objekte, die dabei entdeckt wurden. Wobei ich nun erwähnen sollte, dass die Teilchen in Pulsaren oder durch schwarze löcher auf eine andere Art und Weise beschleunigt werden, aber das führt hier ein bisschen zu weit 😉