Auf den ersten Blick wirkt die Funkenkammer des ÖAW-Instituts für Hochenergiephysik unscheinbar. Ein grauer Kasten, in dem es nichts zu sehen gibt. Doch plötzlich taucht eine Lichtblitz auf - und noch einer - und noch einer mehr. Was könnten diese Lichtblitze sein? Sie sind nichts Geringeres als sichtbar gemachte Teilchen, die durch die kosmische Strahlung entstehen, nachdem diese auf ihrer Reise mit nahezu Lichtgeschwindigkeit quer durchs All von der Erdatmosphäre absorbiert wurde.

Kosmische Strahlung von nah und fern

Kosmische Strahlung aus den Tiefen des Weltalls prasselt permanent auf unseren Planeten ein. Woher diese hochenergetischen Teilchen kommen, weiß keiner so genau. Schwarze Löcher, sowie Supernova-Explosionen gelten als heiße Kandidaten, da nur sie ausreichend starke Beschleunigungsprozesse in Gang setzen können, um Teilchen mit derartigen Höchstgeschwindigkeiten auf die Reise zu schicken. Doch selbst die dabei auftretenden Kräfte reichen für die energiereichsten und schnellsten Teilchen der Kosmischen Strahlung als Erklärung nicht aus. "Darüber hinaus können wir auch die Quellen der hochenergetischen Strahlung nicht eindeutig lokalisieren", erklärt Bruno Besser von ÖAW-Institut für Weltraumforschung. Der Grund: Als geladene Teilchen werden sie von den kosmischen Magnetfeldern abgelenkt und fliegen nicht geradlinig, sondern in einem Zick-Zack-Kurs durchs All.

Doch man muss nicht in die Ferne blicken, um Quellen kosmischer Strahlung zu entdecken. Auch unsere Sonne ist eine aktive Produzentin. Der Sonnenwind, als niederenergetischer Teil der solaren kosmischen Strahlung, wechselwirkt mit dem Magnetfeld der Erde und sorgt unter anderem für das spektakuläre Naturschauspiel des Polarlichts.

Herausforderung für Mensch und Maschine

Bedeutend höhere Energien besitzen die Teilchen, die bei gewaltigen Sonneneruptionen ins All geschleudert werden. Sie können im Gegensatz zum "lauen" Sonnenwind nicht nur in die Erdatmosphäre eindringen und zum Beispiel den Funkverkehr stören oder Satellitenelektronik beschädigen, auch für die bemannte Raumfahrt bergen sie große Gefahren. Besser: "Da Sonneneruptionen unvorhersehbar und plötzlich auftreten, ist es für Astronauten schwierig, sich und ihre Geräte gezielt vor der Strahlenbelastung zu schützen." Das betrifft etwaig geplante Fahrten zum Mars ebenso wie längere Aufenthalte auf der internationalen Raumstation ISS. Am Institut für Weltraumforschung ist das Geschehen auf der Sonne daher Thema reger Erforschung. So ist das Institut an der NASA-Mission STEREO beteiligt, welche das dynamische Geschehen auf der Sonnenoberfläche untersucht.

Im Erdorbit droht noch auf andere Weise Raumfahrtmissionen Gefahr durch kosmische Strahlung. Im sogenannten inneren Van-Allen-Gürtel werden die durch die kosmische Strahlung erzeugten ionisierten Teilchen durch das Magnetfeld der Erde in hoher Konzentration gefangen gehalten. Entdeckt wurde dieser Strahlungsgürtel bereits 1958 vom ersten US-Satelliten Explorer. Eine aktuelle NASA-Mission hat sich nun zum Ziel gesetzt, die physikalischen Vorgänge im Van-Allen-Gürtel genau zu untersuchen. Darauf aufbauend sollen dann Möglichkeiten zur besseren Vorhersage erhöhter Strahlungsintensität entwickelt werden. Zwei Satelliten sollen im Rahmen der"Radiation Belt Storm Probe"-Mission noch diesen Sommer mit jeweils fünf wissenschaftlichen Instrumenten an Bord starten. Das ÖAW-Institut für Weltraumforschung ist an der Datenauswertung des Experiments EMFISIS (Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science) beteiligt.

Im Dienste der Forschung

Doch hochenergetische kosmische Strahlung bedeutet nicht nur Gefahr für Mensch und Maschine. Wenn sie mit Atomen der Atmosphäre kollidiert, entsteht jener radioaktive Kohlenstoff, den alle Pflanzen, Tiere und Menschen in sich tragen, und der eine Altersbestimmung (C14-Methode) fossiler und anderer Funde bis zu 60.000 Jahre zurück erlaubt.

Auch die Hochenergiephysik weiß die kosmische Strahlung für ihre Forschung zu nutzen. "Wir verwenden sie beispielsweise, um unseren CMS-Detektor am LHC zu kalibrieren", sagt Thomas Bergauer vom ÖAW-Institut für Hochenergiephysik. Der "Compact Muon Solenoid (CMS)"-Detektor ist eines der Experimente, die am neuen Large Hadron Collider (LHC) des Forschungszentrums CERN durchgeführt werden, und dessen Ziel es ist, bisher zwar prognostizierte aber noch von niemanden gesehene Teilchen aufzuspüren wie das sogenannte Higgs-Boson oder supersymmetrische Teilchen. Gelingen soll das mittels gezielter Teilchenkollisionen und genauester Detektion der dabei entstehenden Teilchen.

Die kosmische Strahlung kann übrigens auch dabei helfen mit Mythen aufzuräumen - wie, dass am LHC ein Schwarzes Loch entstehen könnte, welches die Erde auffrisst. "Die bei den Kollisionen zwischen Teilchen der Erdatmosphäre und der kosmischen Strahlung entstehenden Energien sind um das 100-Millionen-fache größer als jene, die bei den Teilchenkollisionen am LHC erzeugt werden", erklärt Bergauer. "Seit fünf Milliarden Jahren trifft die kosmische Strahlung auf die Erde und hat bisher kein alles verschlingendes Schwarzes Loch erzeugt. Es ist absurd zu glauben, dass dem LHC das gelingen könnte."

• Die Funkenkammer des ÖAW-Instituts für Hochenergiephysik
• Wie das Weltraumwetter wird
• Die "Radiation Belt Storm Probes"-Mission
• Die Suche nach dem Higgs-Teilchen

Kontakt:
Mag. Dr. Bruno Besser
Insitut für Weltraumforschung
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Schmiedlstraße 6, 8042 Graz
T +43 316 4120-571
bruno.besser@oeaw.ac.at
www.iwf.oeaw.ac.at

DI Dr. Thomas Bergauer
Institut für Hochenergiephysik
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien
thomas.bergauer@oeaw.ac.at
www.hephy.at


April 2012