Direkter Blick ins Sonnenfeuer

Erstmals ist es gelungen, im Inneren der Sonne die Kernfusion zu messen, die den Großteil der Energie unseres Gestirns produziert. Die Daten stimmen mit den theoretischen Modellen sehr gut überein. Das ist ein Triumph für die Physik und eine Spitzenleistung der experimentellen Wissenschaft.

Um zu sehen, dass die Sonne scheint, genügt ein Blick an den Taghimmel. Ihr Licht braucht nur gut acht Minuten von der Sonnenoberfläche bis zur Erde – wie die übrige elektromagnetische Strahlung auch. Die rund 150 Millionen Kilometer lange Strecke durchs All legt es also rasant zurück. Doch vom Zentrum bis zur Oberfläche der Sonne benötigt es viel mehr Zeit, obwohl diese Strecke nur knapp 700 000 Kilometer beträgt – fünf Prozent der Erdentfernung. Denn der heiße Plasmaball ist im Gegensatz zum Weltraum nicht transparent. Daher werden die Photonen immer wieder von Elektronen und Atomkernen gestreut, absorbiert und erneut emittiert. Dieser wirre, lange Zickzackkurs mit vielen Unterbrechungen dauert durchschnittlich etwa 100 000 Jahre.

Trotzdem können Physiker das Geschehen im Sonnenzentrum heute fast in Echtzeit verfolgen. Denn die Neutrinos, die in großer Zahl bei der Kernverschmelzung im Sonnenzentrum entstehen, können fast ungehindert und lichtschnell aus dem Sonneninneren entweichen. Sie unterliegen nämlich nicht der Elektromagnetischen Wechselwirkung, sodass die Sonne für sie „unsichtbar” ist – selbst Lichtjahre dicke Bleiwände wären für sie kein Hindernis. Rund 66 Milliarden energiearme solare Neutrinos rasen in jeder Sekunde durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – und somit auch durch jeden Quadratzentimeter der menschlichen Haut. Doch niemand spürt etwas davon.

99 Prozent der Sonnenenergie

Seit den 1960er-Jahren liegen Physiker mit großen Apparaturen auf der Lauer, um die geisterhaften solaren Neutrinos einzufangen. Bislang konnten sie allerdings nur Neutrinos von relativ seltenen Sekundärprozessen nachweisen, die bei der Kernfusion im Sonneninneren entstehen, etwa zu Beryllium-7 und Bor-8.

Der häufigste und wichtigste Prozess in sonnenähnlichen Sternen ist jedoch die Fusion von zwei Protonen zu Deuterium – einem schweren Wasserstoff-Kern, der sich aus einem Proton und einem Neutron zusammensetzt. Dabei entstehen ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Das Positron (Antielektron) vernichtet sich sofort mit einem Elektron in der Umgebung zu einem Gammaquant, das über seinen Zickzackweg als energieärmeres Sonnenlicht den Weltraum erreicht. Das Elektron-Neutrino hingegen entkommt sofort.

Genau solche Neutrinos aus dem Primärprozess der solaren Kernfusion, bei der 90 Prozent der Neutrinos und 99 Prozent der Sonnenenergie entstehen – und auch 90 Prozent der Energie aller Sterne in der Milchstraße –, haben Physiker nun erstmals gemessen. Dieses Kunststück gelang ihnen mit Borexino, einem international betriebenen Neutrinodetektor im Gran Sasso Massiv in Mittelitalien. Borexino ist sensible Hochtechnologie vom Feinsten – und kann sogar energiearme Antineutrinos nachweisen, die beim Zerfall radioaktiver Uran- und Thorium-Atome im Erdmantel entstehen (siehe „Botschaften aus dem Erdinneren” ab S. 40). Somit ist Borexino auch für geophysikalische Messungen vielversprechend. Forschungsschwerpunkt sind aber die solaren Neutrinos.

Neutrinos aus dem Sonnenkern

Zunächst ging es darum, die solaren 862-Kiloelektronenvolt-Neutrinos bei der Beryllium-7-Fusion zu messen, und zwar mit einer Genauigkeit von fünf Prozent. Das ist gelungen. Die Bor-8-Neutrinos konnten ebenso detektiert werden wie die pep-Neutrinos (1,44 Megaelektronenvolt), die bei der seltenen Verschmelzung zweier Protonen (p) und eines Elektrons (e) zu einem Deuterium-Kern entstehen. Die Neutrinos aus diesen Fusionsschritten machen zwar nur wenige Prozent aller solaren Neutrinos aus, trotzdem sind die Messungen sehr wichtig. Denn die Elektron-Neutrinos können sich beim Flug zur Erde in die beiden anderen Neutrino-Arten – Myon- und Tau-Neutrinos – umwandeln. Diese sogenannten Neutrino-Oszillationen besser zu verstehen, ist für die Elementarteilchenphysik von großer Bedeutung.

Der Nachweis der viel häufigeren Neutrinos aus der Proton-Proton-Fusion (pp) war wesentlich schwieriger. Zum einen haben sie eine geringere Energie: maximal 420 Kiloelektronenvolt. Zum anderen stören selbst geringste Spuren des radioaktiven Kohlenstoff-14 im Detektor, da hier Neutrinos mit ähnlicher Energie freigesetzt werden, vor allem wenn es zu gleichzeitigen Zerfällen solcher Atome kommt. Daher mussten die Wissenschaftler diesen „Untergrund” sehr genau verstehen und subtrahieren. „Es war eine große Herausforderung”, sagt Andrea Pocar von der Universität von Massachusetts in Amherst, der Teamleiter der neuen Studie.

Außerdem reduzierten die Forscher den Untergrund von störendem Krypton-85 und Wismut-210 durch eine zusätzliche Reinigung des Szintillators. So konnten sie die pp-Neutrinos mit einer Genauigkeit von immerhin zehn Prozent detektieren. Künftige Messungen sollen bis auf ein Prozent präzise sein, aber das wird noch Jahre dauern. „Die Existenz der pp-Neutrinos stand nicht infrage. Aber ob es möglich ist, sie mit einem so exquisiten Detektor in Echtzeit zu messen, war keineswegs klar”, kommentiert Wick Haxton von der Universität von Kalifornien in Berkeley mit Hochachtung. Er gehört nicht zum Borexino-Team.

Die Resultate passen ausgezeichnet zu den theoretischen Erwartungen. Die Sonne verhält sich also genau so, wie es die Modelle vorhersagen. Und die aus dem Neutrino-Fluss errechnete Fusionsrate im solaren Zentrum entspricht der, die aus der Sonnenleuchtkraft folgt – wobei diese heute sichtbare Lichtflut schon vor 100 000 Jahren entstanden ist. Würde die Kernfusion heute plötzlich erlöschen, bekämen wir auf der Erde davon noch lange nichts zu spüren – außer in den Neutrino-Detektoren. „Unser Ergebnis zeigt, dass die Sonne wirklich ein enormer Kernfusionsreaktor ist”, freut sich Gianpaolo Bellini, einer der Borexino-Gründer.

Hell, steril oder ganz dunkel

Borexino wird noch lange weitermessen. Das nächste große Ziel ist der Nachweis von Neutrinos aus einem anderen Fusionsprozess, dem sogenannten CNO-Zyklus (CNO, weil daran Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoff-Kerne beteiligt sind). Zu ihm kommt es in der Sonne selten, in massereichen, alten Riesensternen ist er jedoch die wichtigste Energiequelle.

Falls ein solcher Roter Riese in der Milchstraße demnächst zur Supernova wird, könnte Borexino einige seiner Megaelektronenvolt-Neutrinos erhaschen. Sie entstehen beim Kollaps des ausgebrannten Sternkerns in gigantischen Mengen und heizen die nachstürzenden dichten Sternmassen so stark auf, dass sie explodieren (bild der wissenschaft 1/2015, „Warum Supernovae explodieren”). Solche Supernova-Neutrinos sind bislang nur ein einziges Mal gemessen worden – im Februar 1987, als in der Großen Magellan’schen Wolke ein Blauer Überriese detonierte.

„Außerdem wird Borexino nach Abweichungen der Neutrino-Oszillationen von den Modellrechnungen fahnden. Falls man sie findet, könnte das ein Hinweis auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen sein”, sagt Aldo Serenelli vom Institut für Weltraumwissenschaften im spanischen Bellaterra.

Borexino hilft zudem bei der indirekten Suche nach einem bislang unbekannten Neutrino-Typ, der die Oszillationen beeinflussen würde. Die Existenz dieser sogenannten Sterilen Neutrinos – „steril”, weil sie der Schwachen Wechselwirkung nicht unterliegen – wird von manchen spekulativen physikalischen Modellen vorausgesagt.

Schließlich könnte Borexino Neutrinos aus dem Sonnenzentrum aufspüren, die sich nicht bei der Kernfusion gebildet haben, sondern beim Zerfall oder der Zerstrahlung der ominösen Dunklen Materie. Sie scheint die Hauptmasse im Universum auszumachen, wirkt aber nur über die Schwerkraft (bild der wissenschaft 12/2011, „Dunkle Materie”). Die meisten Physiker gehen davon aus, dass es sich dabei um unbekannte Elementarteilchen handelt. Aufgrund der großen solaren Gravitation müssten sie sich im Sonnenzentrum anreichern. Falls aus ihnen Neutrinos entstehen, wäre ihre Detektion ein indirektes Indiz für die Existenz und die Eigenschaften der Dunklen Materie.

Das alles ist Zukunftsmusik. Doch der jetzt gelungene Nachweis der solaren pp-Neutrinos ist schon heute ein Meilenstein in der Geschichte der Experimentalphysik. •

von Rüdiger Vaas