Ständig prasseln hochenergetische Teilchen auf unseren Planeten. Sie würden ihn in eine tödliche Strahlungshölle verwandeln, gäbe es nicht die Erdatmosphäre, die den größten Teil von ihnen abschirmt. Allerdings nicht alle. Und die Geschichte des Lebens wäre anders verlaufen, existierte diese Kosmische Strahlung nicht. Denn sie ist für viele Mutationen verantwortlich, also für Veränderungen der Erbsubstanz, die den Rohstoff für die Evolution des Lebens liefern.

Woher die Kosmische Strahlung stammt und wie sie entsteht, darüber zerbrechen sich Astronomen seit fast 100 Jahren den Kopf. Nun zeichnet sich die Antwort ab: Trümmer brachialer Sternexplosionen, rotierende Ruinen kollabierter Sterne und die feurigen Zentren aktiver Galaxien gehören zu den Strahlenspeiern im All.

In Namibia, im Khomas-Hochland auf der Farm Göllschau in der Nähe des Gamsbergs, fahnden vier Teleskope nach den höchsten Energien aus dem All. Sie bilden das High Energy Stereoscopic System, meist HESS oder H.E.S.S. genannt. Am 28. November 2004 von dem Premierminister der Republik Namibia, Theo-Ben Gurirab, offiziell eröffnet, hat es bereits jetzt mehr Daten zur energiereichsten Gammastrahlung gesammelt als alle seine Vorgänger zusammen.

Das Akronym HESS wurde zu Ehren des österreichischen Physikers Victor Franz Hess (1883 bis 1964) gewählt. Er hatte 1912 als Erster die Kosmische Strahlung, von ihm „Höhenstrahlung” genannt, mit Hilfe von Elektrometern auf Ballon-Flügen nachgewiesen und dafür 1936 den Physik-Nobelpreis erhalten. HESS ist einer anderen, viel energiereicheren Komponente der Kosmischen Strahlung auf der Spur. „Die gesamte Atmosphäre oberhalb des Teleskops fungiert dabei als Detektor”, sagt Heinrich J. Völk. Der inzwischen emeritierte Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ist einer der Initiatoren des – einschließlich Infrastruktur – 7,9 Millionen Euro teuren Projekts. 6,3 Millionen Euro stammen vom Bundesforschungsministerium und der Max-Planck-Gesellschaft. Unter der Federführung von Völks Institut arbeiten derzeit rund 100 Physiker aus 8 Ländern und 19 Instituten mit HESS, darunter auch 4 deutsche Universitäten – Berlin, Bochum, Hamburg und Heidelberg – sowie Forschungseinrichtungen und Universitäten aus Frankreich, England, Irland, der Tschechischen Republik, Armenien, Namibia und Südafrika.

HESS ist auf die Erforschung der energiereichsten Photonen aus dem All spezialisiert – der Gammastrahlung. Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums beginnt jenseits der Röntgenstrahlung bei 100 000 Elektronenvolt beziehungsweise etwa 10 Nanometer Wellenlänge. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine Energie von einem Elektronenvolt und eine Wellenlänge von einigen Hundert Nanometern.

Der „energiearme” Teil der Gammastrahlung lässt sich nur mit Satelliten oberhalb der absorbierenden Erdatmosphäre messen. Je höher die Energien, desto seltener sind freilich die Gammaphotonen – und das begrenzt die Möglichkeiten der Satelliten-Detektoren. Erst ab einer Milliarde Elektronenvolt (ein Gigaelektronenvolt) ist die Gammastrahlung vom Erdboden aus nachweisbar – wenn auch nur indirekt: Die Photonen treffen auf Stickstoff- und Sauerstoff-Atome in der Luft und erzeugen beim Zusammenstoß Elektronen und Positronen, die wiederum Gammastrahlung freisetzen und neue Elektron-Positron-Paare entstehen lassen. Durch diesen lawinenartigen Effekt bringt ein Gammaphoton eine ganze Kaskade von Sekundärteilchen hervor, einen so genannten Luftschauer.

Die Atmosphäre verstärkt also nicht nur die einfallende Energie, sondern auch die kosmischen „Signale” – Völk spricht von der „Lufthülle als Detektor”. Ein Teil der Elektronen und Positronen dringt dabei bis zum Erdboden vor. Diese Partikel sind in der Luft (nicht im Vakuum!) schneller als das Licht – und das hat einen charakteristischen Effekt. Stefan Gillessen vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching erklärt ihn so: „Wenn sich eine Ente schneller als das Wasser um sie herum bewegt, erzeugt sie eine Bugwelle. Wenn ein Flugzeug schneller als der Schall fliegt, kommt es zu einem Überschallknall. Und wenn ein Elektron schneller als das Licht ist, entsteht Tscherenkow-Strahlung.”

Genau diese Tscherenkow-Strahlung erhascht HESS. Es handelt sich um extrem schwache bläuliche Lichtblitze, die nur einige Milliardstel Sekunden andauern. Dies geht nur in dunklen, mondlosen Nächten bei exzellenten Sichtbedingungen, wie sie in Namibia gewährleistet sind. Um die Effekte von Störstrahlung zu minimieren, berücksichtigen die Astronomen nur Messungen von mindestens zwei Teleskopen gleichzeitig. HESS besteht aus vier abbildenden Teleskopen, die an den Ecken eines Quadrats mit 120 Meter Seitenlänge aufgestellt sind. Jedes Teleskop hat einen 13 Meter großen, aus 380 Einzelelementen aufgebauten Hauptspiegel von 107 Quadratmetern Fläche.

Rund 200 Luftschauer gehen pro Sekunde über HESS nieder, wobei das Observatorium ein Gesichtsfeld vom zehnfachen Vollmond-Durchmesser hat. Der multiple Blickwinkel erlaubt es, die relevanten Luftschauer dreidimensional zu rekonstruieren und die Richtung und Energie des ursprünglichen Gammaphotons zu ermitteln. HESS kann auf diese Weise kosmische Gammastrahlung von 100 Gigaelektronenvolt bis 100 Teraelektronenvolt (1011 bis 1014 Elektronenvolt) nachweisen.

Die Tscherenkow-Lichtblitze werden in der Brennebene mit einer Kamera registriert, die 960 hochempfindliche Photomultiplier beherbergt. Damit ist eine Winkelauflösung – und somit Richtungsbestimmung – von 0,1 Grad pro Ereignis möglich sowie eine Energieauflösung von 10 bis 15 Prozent. HESS ist somit deutlich sensibler als alle zuvor gebauten Tscherenkow-Teleskope. „Mit dieser Empfindlichkeit lässt sich der Krebsnebel im Zenit in etwa 30 Sekunden nachweisen. Zum Vergleich: Der erste Nachweis des Krebsnebels im Teraelektronenvolt-Bereich 1989 erforderte eine Messzeit von etwa 50 Stunden”, schwärmt Völk.

So war der Krebsnebel – die knapp 1000 Jahre alte, 6300 Lichtjahre ferne Explosionswolke einer Supernova im Sternbild Stier – auch das erste Objekt, das HESS ins Visier nahm. HESS kann sogar Gammaquellen nachweisen, die weniger als ein Prozent der Strahlungsintensität vom Krebsnebel haben. „Wir erleben hier die Geburt einer neuen Hochenergie-Astronomie”, begeistert sich François Lebrun, Astrophysiker der Französischen Atomenergie-Kommission CEA in Saclay.

Hauptziel von HESS ist es, die Quellen und den Entstehungsmechanismus der energiereichsten Gammastrahlung zu erforschen. Eine zentrale Rolle scheinen dabei kollektive Stöße von Partikeln zu spielen, wobei ein geladenes Teilchen mit dem Magnetfeld einer ganzen Wolke anderer Partikel mit Relativgeschwindigkeiten von mehreren Tausend Kilometer pro Sekunde in Wechselwirkung tritt. Stößt ein energiereiches Proton mit einem energieärmeren Proton oder Atomkern in kosmischen Gaswolken zusammen, entsteht dabei ein Pion, das anschließend sofort in zwei Gammaphotonen zerfällt. Entsprechend der Ruheenergie des Pions von 1,35 . 108 Elektronenvolt haben sie Energien von mindestens dieser Größenordnung. Solche Prozesse können beispielsweise in den Stoßfronten rasch expandierender Explosionswolken von Supernovae stattfinden und auch in den starken Magnetfeldern von Gaswolken. Tatsächlich steckt zehn Prozent der Explosionsenergie von Supernovae in hochenergetischen Teilchen. Das sind 1043 Joule, was über 1027 Megatonnen des Sprengstoffs TNT entspricht (zum Vergleich: die Hiroshima-Atombombe hatte eine Sprengkraft von 0,013 Megatonnen TNT).

Im Jahr 2004 gelang HESS erstmals die räumliche Auflösung der Struktur einer Quelle hochenergetischer kosmischer Gammastrahlung: des Supernova-Überrests RX J1713.7–3946 (auch G347.3 –0,5 genannt). „Das ist das weltweit erste Teraelektronenvolt-Bild”, begeistert sich Stefan Gillessen.

Die expandierende Gaswolke am irdischen Himmel erscheint doppelt so groß wie der Vollmond. Sie wurde 1996 von dem deutschen Röntgensatelliten Rosat entdeckt, und zwar anhand ihrer Röntgenstrahlung, die eine Milliarde Mal weniger Energie hat als die von HESS gemessene Gammastrahlung. RX J1713.7 –3946 ist die rund 30 000 Lichtjahre ferne Trümmerschale einer Sternexplosion, die sich den Aufzeichnungen chinesischer Astronomen zufolge wohl im Jahr 394 im Sternbild Skorpion ereignet hat. Das Bild von HESS passt ausgezeichnet zu Röntgenaufnahmen vom japanischen ASCA-Satelliten. HESS maß Partikelenergien von über 100 Teraelektronenvolt.

Auch andere Supernova-Überreste hat HESS inzwischen studiert. Darunter ist der berühmte Vela-Nebel (900 Lichtjahre entfernt und 10 000 Jahre alt) sowie der dicht daneben am Himmel stehende Vela-Junior-Nebel RX J0852.0–4622 (rund 650 Lichtjahre entfernt und wohl nur 680 Jahre alt). Die Daten belegen, dass in den Schockwellen zumindest mancher Supernova-Überreste Teilchen so stark beschleunigt werden, dass nicht nur Röntgen-, sondern auch Gammastrahlung entsteht. Somit ist klar: Supernova-Überreste sind hochenergetische Gammaquellen.

Bei Supernovae werden massereiche Sterne zerrissen, doch es bleibt eine kompakte Leiche übrig: der zu einem Neutronenstern oder Schwarzen Loch kollabierte Kern. Solche Neutronensterne – nur etwa 20 Kilometer große Ruinen, die mehr Masse in sich konzentrieren als unsere Sonne – können rasch rotieren und entlang ihrer Magnetachse energiereiche Teilchen ins All schleudern. Diese kosmischen „Leuchttürme” strahlen durch ihre Rotation die Erde nicht ständig an, sondern scheinen von uns aus betrachtet zu pulsieren. Deshalb sprechen Astronomen irreführenderweise von Pulsaren. Auch diese Pulsare werden seit Langem verdächtigt, Quellen der hochenergetischen Kosmischen Strahlung zu sein. HESS hat dafür starke Indizien gefunden. So entsteht Gammastrahlung in der Nähe des Pulsars PSR B1823–13. Er ist 13 000 Lichtjahre entfernt, etwa 2000 Jahre alt und wechselwirkt wohl teilweise mit Gas in der Nähe, das von der Supernova stammt.

Noch komplizierter sind die Verhältnisse bei dem Pulsarwind-Nebel von PSR B1259–63. Dieser 5000 Lichtjahre ferne Neutronenstern im Sternbild Kreuz des Südens rotiert einmal alle 0,043 Sekunden und kreist auf einer sehr exzentrischen Bahn um einen massereichen Stern namens SS 2883, dem er sich bis zu 100 Millionen Kilometer weit nähert. Von der 23 000 Grad heißen Oberfläche des Sterns weht ein mächtiger Sternwind, der sich auf ein Gebiet in der Äquatorebene konzentriert, vermutlich umhüllt von Magnetfeldern. Diese Scheibe durchstößt der Pulsar bei seinem Umlauf. Sein eigener Wind wird dabei so stark verdichtet und verformt, dass er einem Kometenschweif ähnelt. Das schließt das HESS-Team aus Messungen, die eine starke Abnahme der Strahlung von PSR B1823–13 in Sternnähe festgestellt haben. „Der Pulsar ist die erste bekannte variable Teraelektronenvolt-Quelle in der Milchstraße”, sagt Stefan Gillessen.

Supernova-Überreste und Pulsarwinde sind also wohl die Hauptquellen der galaktischen hochenergetischen Gammastrahlung. Vor HESS waren nur zwölf Quellen bekannt. 2005 hat die HESS-Gruppe das Ergebnis einer ersten Durchmusterung im inneren Milchstaßenbereich veröffentlicht – einer Region innerhalb plus/minus 30 Grad galaktischer Länge und plus/minus 3 Grad galaktischer Breite. Acht weitere Quellen wurden damals entdeckt. Inzwischen haben die HESS-Forscher 33 Quellen publiziert. „Davon liegen 26 in der Scheibe unserer Milchstraße, der Rest sind Aktive Galaxien. Von den 26 waren nur 4 bekannt, die anderen 22 hat HESS entdeckt”, sagt Konrad Bernlöhr vom Max-Planck-Institut für Kernphysik. „Darüber hinaus haben wir noch eine Reihe weiterer Quellen auf Lager, an deren Veröffentlichung wir gerade arbeiten.”

Alle neu gefundenen galaktischen Quellen sind nur wenige Prozent so hell wie der Krebsnebel und wohl ebenfalls nur ein Dutzend Lichtjahre groß oder etwas mehr. HESS hat die Zahl der bekannten Gammaquellen also schon jetzt mehr als verdoppelt. Die meisten konnten als Supernova-Überreste und Pulsare identifiziert werden. Allerdings: HESS J1303–631 und HESS J1614–518 sind bislang nicht im Wellenlängenbereich der Radio- und Röntgenstrahlung zu erkennen, die ebenfalls entsteht, wenn Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden.

„Das stellt uns vor ein großes Rätsel. Wir haben keine Ahnung, wie die nachgewiesene Gammastrahlung von diesen Objekten erzeugt wird”, sagt Stefan Funk vom Max-Planck-Institut für Kernphysik. „ Diese neuen, unidentifizierten Quellen können darauf hindeuten, dass die Entstehung der Kosmischen Strahlung komplizierter ist, als wir bislang dachten, und dass hier eine aufregende neue Astrophysik wirksam ist”, ergänzt Trevor Weekes vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Die Wissenschaftler diskutieren verschiedene Szenarien: Vielleicht handelt es sich bei den außer im Gammabereich dunklen Objekten um Protonenquellen, etwa extrem starke Sternwinde, wie sie von so genannten Wolf-Rayet-Sternen bekannt sind – jungen, heißen und massereichen Sternen. Oder es sind Pulsarwinde – oder dichte Gaswolken, die von der Kosmischen Strahlung zum Leuchten angeregt werden. Auch die Vernichtungsstrahlung aus Klumpen Dunkler Materie, etwa von geisterhaften Teilchen namens Neutralinos, kommt infrage. Doch ob diese überhaupt existieren, weiß niemand.

Einen neuen Typ von Gammastrahlern hat HESS immerhin schon aufgespürt: Mikroquasare, von denen in der Galaxis nur ein halbes Dutzend bekannt sind. Dahinter verbergen sich Schwarze Löcher, umgeben von einer Gas- und Staubscheibe aus Material, das sie einem Nachbarstern entrissen haben. Bei den Scheiben entstehen Jets, wie man sie in größerem Maßstab von aktiven Galaxienzentren, den Quasaren, her kennt. Dass von den Jets auch höchstenergetische Gammastrahlung freigesetzt wird, hat HESS bei dem Mikroquasar LS5039 nachgewiesen. Er wurde 1997 im Röngenbereich entdeckt, hat eine Entfernung von rund 10 000 Lichtjahren und kreist in 3,9 Tagen einmal um einen Stern von 20 bis 35 Sonnenmassen.

„Es ist fantastisch, dass wie eine neue Art von Gammastrahlungsquellen gefunden haben. Doch wir verstehen bislang nicht, was hier geschieht”, sagt Paula Chadwick von der University of Durham. Die Erzeugung der Strahlung bei dem Mikroquasar bereitet den Astronomen Kopfzerbrechen. Guillaume Dubus von der Ecole Polytechnique im französischen Palaiseau meint: „Eigentlich sollten wir dieses Objekt gar nicht sehen: Die Strahlungsfelder in der Umgebung des kompakten Kerns sind so stark, dass jede Gammastrahlung wieder absorbiert werden müsste.”

Das rund 25 000 Lichtjahre ferne Galaktische Zentrum hat HESS ebenfalls ins Visier genommen. Dort fand das Observatorium eine Quelle, HESS J1745–290, deren Gammastrahlung wohl erst vor 10 000 Jahren entstanden ist. Das Auflösungsvermögen reicht aber nicht aus, um zu entscheiden, ob die Strahlung von dem zentralen Schwarzen Loch stammt oder von einem gigantischen Supernova-Überrest. „Doch wir sind erst am Anfang. Wir werden unsere Teleskope weiter auf das Galaktische Zentrum richten, um den genauen Ort des Beschleunigers zu identifizieren”, sagt Jim Hinton vom Max-Planck-Institut für Kernphysik.

Ein Grad entfernt befindet sich eine weitere Gammaquelle, der Supernova-Überrest G0.9+0.1. In der nur einige 1000 Jahre alten schalenförmigen Struktur wurde ein heller Kern entdeckt, vielleicht ein Neutronenstern. Bei 0,2 bis 6 Teraelektronenvolt ist die Leuchtkraft von G0.9+0.1 immerhin halb so groß wie die des Krebsnebels. Die Astronomen stießen auf eine weitere schwächere Gammaquelle in der Nähe des Milchstraßenzentrums. Sie korreliert mit der Radiostrahlung diffuser, rund 50 Millionen Sonnenmassen „schwerer” Gaswolken.

Die Erforschung des höchstenergetischen Gammabereichs außerhalb der Milchstraße ist da viel schwieriger. Denn es gibt dort kaum „helle” Quellen. Immerhin konnte HESS bereits einige aktive Galaxienkerne beobachten, darunter PKS 3155–304, PKS 1553+113 und die erste bekannte Quelle hochenergetischer Gammastrahlung, gefunden 1992: Makarian 421. Nach monatelangen Ruhephasen kann ihre Helligkeit binnen einer Viertelstunde um den Faktor 100 zunehmen – und wieder schwinden. Die Astronomen vermuten, dass die Gammastrahlung in der Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs entsteht, vielleicht bei der Streuung von Photonen. Diese könnten von Elektronen stammen, die in Magnetfeldern fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden.

Außerdem ist es HESS gelungen, die 50 Millionen Lichtjahre entfernte Radiogalaxie M 87 im Virgo-Galaxienhaufen zu beobachten (Bilder oben). Sie ist bislang die einzige Radiogalaxie, aus der höchstenergetische Gammastrahlung nachgewiesen wurde – wahrscheinlich, weil fast alle anderen derartigen Himmelsobjekte weiter entfernt sind.

Die Astrophysiker haben gemessen, dass sich die Intensität der Gammastrahlung innerhalb weniger Tagen drastisch ändern kann und dabei manchmal bis zum Fünffachen ansteigt. Das bedeutet, dass die Quelle der Gammastrahlung nur etwa die Ausdehnung unseres Sonnensystems hat. „Dies ist nicht viel größer als das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum von M 87″, sagt Matthias Beilicke von der Universität Hamburg. Die Forscher vermuten, dass die Gammastrahlung in der unmittelbaren Umgebung des rund drei Milliarden Sonnenmassen „wiegenden” Schwerkraftmonsters entsteht. Die Strahlung wird wahrscheinlich aus denselben Energiequellen gespeist wie der Jet – ein energiereicher Teilchenstrom, der in anderen Wellenlängen beobachtbar ist und aus dem Zentrum der Riesengalaxie herausschießt.

Die extragalaktische Gammaforschung ist freilich erst am Anfang. „Auch Starburst-Galaxien, verschmelzende Galaxien, Galaxienhaufen und Gammastrahlungsausbrüche sollten bedeutende Hochenergie-Gammaquellen sein”, vermutet Heinrich Völk. „Doch wegen ihrer geringen Photonenflüsse konnten diese extragalaktischen Objekte noch nicht bei Teraelektronenvolt-Energien nachgewiesen werden.”

Für großes Aufsehen unter den Astronomen sorgte HESS auch mit der Messung des diffusen extragalaktischen Hintergrundlichts (siehe Kasten „Wie transparent ist das Weltall?”).

HESS wird noch mindestens zehn Jahre messen. Zurzeit wird die Anlage um ein Riesenteleskop im Zentrum der bisherigen vier erweitert. Es soll 30 Meter groß sein und die Empfindlichkeit des Observatoriums beträchtlich steigern sowie das messbare Energiespektrum erweitern. Erleichtert wird die Finanzierung durch den Beitritt neuer Partnerländer, etwa von Polen. HESS wird dann einen noch besseren „Draht” zum Gammahimmel haben und die himmlischen Botschaften nicht nur empfangen, sondern auch verstehen helfen. ■

Rüdiger Vaas