Neutrinos von den Nachbarn

Was damals Zukunftsmusik war, ist seit zwei Jahrzehnten eine Art Alltagsgeschäft geworden – wenn auch nicht zur Nachrichtenübertragung, sondern in der Grundlagenforschung, um die Eigenschaften der Neutrinos besser zu verstehen. So dient der Teilchenbeschleuniger Super Proton Synchrotron (SPS) am Forschungszentrum CERN bei Genf, der einen Umfang von 6,9 Kilometern hat, zur Erzeugung von Neutrinos (sowie als Vorbeschleuniger für den Large Hadron Collider). Im SPS werden Protonen auf eine Energie von über 400 Gigaelektronenvolt beschleunigt. Lenkt man sie dann auf Graphit, entsteht bei diesen Kollisionen ein gerichteter Strahl von Pionen. Diese kurzlebigen Teilchen zerfallen rasch – unter anderem in Myon-Neutrinos mit einer Energie von 17 Gigaelektronenvolt. Diese Neutrinos flitzen 730 Kilometer weit durch die Erdkruste zum Untergrundlabor LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), das sich 120 Kilometer östlich von Rom in einer Halle neben dem Straßentunnel durch das Gebirgsmassiv Gran Sasso befindet. Manche der eintreffenden Neutrinos werden in speziell für ihren Nachweis konstruierten hochempfindlichen Detektoren aufgefangen. Auch in den USA und in Japan werden solche unterirdischen Neutrino-Strecken betrieben.

Monströse Beschleuniger

Von den gerichteten Neutrino-Strahlen irdischer Physiker zu einem interstellaren Neutrino-Plausch ist es selbstverständlich noch ein riesiger Schritt. Doch es gibt kein Naturgesetz, das ihn verbietet. „Vielleicht haben solche Kommunikationskanäle sogar den Vorteil, aufstrebende, aber technisch noch unterentwickelte Zivilisationen wie die unsere, die ganz auf elektromagnetische Signale setzen, absichtlich von der galaktischen Konversation ausschließen“, überlegte Mieczysław Subotowicz.

Die Hauptschwierigkeit besteht darin, die flinken Elementarteilchen einerseits in großer Menge und Intensität zu erzeugen und sie andererseits effizient und mit hoher zeitlicher Auflösung zu detektieren.

Eine ideale Neutrino-Quelle ist der Zerfall von Z-Bosonen. Diese elektrisch neutralen Überträger der Schwachen Wechselwirkung wandeln sich innerhalb von nur 10–21 Sekunden in Neutrino-Antineutrino-Paare um, und zwar zu gleichen Teilen in alle drei Typen: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Dies ist einer der schnellsten bekannten physikalischen Prozesse überhaupt. Die Z-Bosonen lassen sich durch die Kollision von Elektronen mit Positronen erzeugen. Um die über 100.000 Lichtjahre große Milchstraße mit Neutrino-Signalen im Gigaelektronenvolt-Bereich zu versorgen, wären allerdings wohl Beschleuniger vom Ausmaß der Erde notwendig.

Auch spezielle radioaktive Elemente sind als Neutrino-Quellen geeignet. Subo-towicz hat abgeschätzt, dass beispielsweise der Zerfall von einem Kubikmeter Kobalt-60 1000 bis 10.000 Mal so viele Neutrinos liefern kann wie ein Riesenbeschleuniger – allerdings hätten diese Neutrinos auch nur ein Tausendstel oder ein Zehntausendstel der Energie, also nur einige Megaelektronenvolt. Ihr Nachweis wäre entsprechend schwieriger und weniger effizient.

Hilfreiche Gravitationslinsen

Um Neutrino-Strahlen zu verstärken, könnten hochentwickelte Zivilisationen den bereits von Albert Einstein beschriebenen Gravitationslinsen-Effekt nutzen. Denn die Schwerkraft eines sehr massereichen Objekts krümmt den Weg elektromagnetischer Strahlung – aber eben auch den von Neutrinos und sogar Gravitationswellen – und kann sie, je nach Konstellation von Quelle und Linse, sogar bündeln und um ein Vielfaches verstärken (bild der wissenschaft 11/2020, „Das Jahrhundert der Gravitationslinsen“).

Albert A. Jackson vom Lunar and Planetary Institute in Houston, Texas, hat überlegt, wie eine Superzivilisation mithilfe eines Neutronensterns oder eines Schwarzen Lochs als Gravitationslinse starke Neutrino-Strahlen ins All senden könnte. „Die Intensitätssteigerung ist gewaltig, aber der Durchmesser der Strahlen wäre gering, kleiner als ein Zentimeter“, schränkt der Astrophysiker ein. Um in alle Richtungen zu senden, wären beispielsweise aberwitzige 1018 Neutrino-Quellen im Umkreis von 1000 Kilometern um einen Neutronenstern nötig, sodass die Strahlen noch in 10.000 Lichtjahren Distanz gut nachweisbar wären. Ein solcher Neutrino-Sender würde etwa ein Prozent von der Energie benötigen, die die Sonne im gleichen Zeitraum freisetzt.

Käme ein Schwarzes Loch mit zehn Sonnenmassen zum Einsatz, könnte ein Verstärkungsfaktor von bis zu 100 Milliarden erreicht werden, hat Jackson berechnet. Das gälte auch für elektromagnetische Wellen, etwa Infrarotstrahlung. „Damit wäre ein Sender mit einem Watt Leistung noch in 3000 Lichtjahren Entfernung von einem empfindlichen Observatorium wie dem James Webb Space Telescope messbar“, schätzt der Wissenschaftler.

Kosmische Uhren

Für einen interstellaren Small-Talk mag eine Neutrino-Kommunikation zu aufwendig sein, aber es gibt noch andere Motivationen. So sind die Elementarteilchen wohl die besten bekannten Kandidaten für einen interstellaren Zeitabgleich. Und der ist wichtig, denn Zeit ist relativ – auch für Außerirdische. Eine fortgeschrittene Zivilisation mit einem großen Sternenreich hätte hier ein ernstes Problem. Und das könnte sie verraten – sind John G. Learned, Sandip Pakvasa, Walter A. Simmons und Xerxes Tata von der University of Hawaii in Honolulu überzeugt. Die Astrophysiker haben vorgeschlagen, nach Neutrino-Signalen zu suchen, die eine Superzivilisation zur Angleichung der Uhren ihrer Raumschiffe und Kolonien verwenden könnte. Die Synchronisation dürfte eine kulturelle und wissenschaftliche Notwendigkeit sein für ein Volk, das andere Planetensysteme besiedelt hat oder ausgedehnte Reisen zwischen den Sternen unternimmt.

Gemäß der Relativitätstheorie zeigt jede Uhr ihre eigene Zeit an, bedingt durch die Zeitdilatation aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten und Gravitationsfelder. Mit Berechnungen allein lassen sich diese Unterschiede nicht ausgleichen, weil chaotische Effekte in Viel-Körper-Systemen Voraussagen rasch unmöglich machen – das gilt auch für längerfristige Bahnkalkulationen der Körper im Sonnensystem. Beispielsweise würden zwei Uhren auf dem Mond und der Erde schon innerhalb eines Monats einige Mikrosekunden versetzt laufen. Also müssen die einzelnen Zeitmesser mithilfe einer Master-Uhr ständig nachgestellt werden, so wie auf der Erde ja auch eine andauernde zeitliche Synchronisation praktiziert wird.

Weil sich Neutrinos für die ungestörte Transmission über interstellare Distanzen besonders gut eignen, stellt eine außerirdische Zivilisation ihre Uhren vielleicht mithilfe dieser Geisterteilchen. Dabei wird sie die Signale wahrscheinlich in alle Richtungen schicken. Denn bei Richtstrahlen müsste der ganze Beschleuniger auf beinahe Lichtgeschwindigkeit gebracht werden, um relativistische Effekte auszugleichen, die die Präzision der Pulsfolge sonst zunichtemachen würden. Das wäre selbst für eine Super-zivilisation keine Kleinigkeit. Begrenzt ist die Intensität der Neutrino-Signale wohl auf die Größenordnung der Strahlungsleistung unserer Sonne. Höhere Intensitäten würden von den Elektronen und Positronen des Beschleunigers gestreut, was die Genauigkeit der Pulsfolge ebenfalls unterlaufen würde.

Die erste Nachricht mit Neutrinos

Interstellare Neutrino-Signale wären nicht einfach zu entdecken. Selbst der Riesendetektor Super-Kamiokande in Japan weist pro Tag weniger als zwei Dutzend Neutrinos aus dem Sonneninneren nach. Doch leistungsstarke interstellare Botschaften könnten vielleicht schon mit der nächsten Generation von Neutrino-Detektoren auf der Erde registriert werden. Aufgrund ihrer genau bestimmten Richtung, ihrer Regelmäßigkeit und ihres definierten Energiespektrums wären die Teilchen zweifelsfrei als artifiziell identifizierbar und nicht mit natürlichen Quellen zu verwechseln – etwa von Sternen, Supernovae oder Aktiven Galaxienkernen.

Ephraim Fischbach und John T. Gruenwald vom Department of Physics and Astronomy der Purdue University in West Lafayette, Indiana, haben ebenfalls vorgeschlagen, nach künstlichen Neutrino-Signalen zu suchen. Sie denken dabei vor allem an spezifische Botschaften in Form nichtzufälliger Pulsfolgen. Solche sind sogar schon auf der Erde produziert worden: Zum ersten Mal wurden 2012 am Fermilab bei Chicago gepulste Neutrino-Strahlen erzeugt und mit dem rund einen Kilometer von der Quelle entfernten MINERvA-Detektor (Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions) gemessen. Dabei haben Physiker das Wort „Neutrino“ mit einer Datenrate von 0,1 Bit pro Sekunde und einer Nachweisgenauigkeit von 99 Prozent übertragen. Als Codierung verwendeten sie Nullen und Einsen gemäß des 7-Bit-ASCII-Codes handelsüblicher Computer, wobei eine Eins einem Neutrino-Puls entspricht und eine Null einer Pause. „Interessanter wird es natürlich, wenn wir das Signal über größere Distanzen schicken können“, sagt Dan Stancil von der North Carolina State University, der mit seinem früheren Studenten Jim Downey die Idee zu dem Experiment hatte. Dazu ist ein intensiverer, besser fokussierter Strahl nötig als bislang möglich – doch das wäre für eine extraterrestrische Superzivilisation wohl kein Problem.

Da Neutrinos die Zerfallsraten bestimmter radioaktiver Elemente wie Mangan-54 zu beeinflussen scheinen, könnte mit spezifischen Detektoren gezielt nach den flüchtigen Elementarteilchen gesucht werden. Für 20 Millionen Dollar lassen sich bereits 1000 Detektoren finanzieren, verteilt über den ganzen Globus, schätzen Fischbach und Gruenwald. Das hätte auch einen ganz praktischen ökonomischen Nutzen, wenn sich damit Sonnenstürme voraussagen ließen – wichtig für den sicheren Betrieb von Satelliten und Elektrizitätswerken.

Falls es eine Superzivilisation im All gibt, die nicht nur die komplette Energie von Sternen verwenden kann, sondern sich möglicherweise sogar ganze Sternhaufen oder Galaxien untertan gemacht hat, wären Neutrino-Botschaften vielleicht ein Kinderspiel für sie – oder zumindest nur ein Medium unter vielen. Womöglich schreckt sie nicht einmal vor der Manipulation der Raumzeit zurück. SETI-Forscher plädieren daher dafür, den Horizont einer Suche noch weiter zu fassen oder jedenfalls die Überlegungen dazu. Getreu dem Motto des berühmten Physikers Freeman Dyson von 1965: „Es ist nichts so groß oder verrückt, dass sich nicht wenigstens eine der Millionen technischen Zivilisationen dazu angetrieben fühlte, es zu realisieren, vorausgesetzt es ist physikalisch möglich.“

Energie von Schwarzen Löchern

Die extremsten Objekte im All sind Schwarze Löcher. Sie entstehen beim Kollaps ausgebrannter massereicher Sterne. Ihre Schwerkraft ist so groß, dass ihnen nichts entkommt, auch nicht Licht, das einmal ihren Rand passiert hat, den Ereignishorizont. Trotzdem lassen sich die Gravitationsfallen im Prinzip als gewaltige Energiequellen nutzen – wenn sie rotieren. Darauf hat Roger Penrose von der britischen Oxford University bereits 1969 hingewiesen, als er noch am Birkbeck College in London forschte. 2020 wurde er für seine theoretischen Glanzleistungen über die Finsterlinge im All mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

Rund 20 Prozent der Energie eines rotierenden Schwarzen Lochs – viele Größenordnungen mehr als die Sonne im Lauf ihres Daseins erzeugt – sind in der Ergosphäre gespeichert. Dieser äquatoriale wulstförmige Raum außerhalb des Ereignishorizonts wird von der Drehung des Gravitationsmonsters förmlich herumgewirbelt. Gegenstände, die durch die Ergosphäre an ihm vorbeifliegen, zapfen die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs an und werden immens beschleunigt. Auch elektromagnetische Strahlung kann durch Streuung in der Umgebung eines Schwarzen Lochs extrem verstärkt werden, wie Charles W. Misner von der University of Maryland 1972 vorrechnete. Ein Schwarzes Loch wird dadurch nicht leichter, aber es verliert an Drehimpuls.

Der Penrose-Prozess erklärt teilweise die enorme Strahlungsleistung von fernen Quasaren und Aktiven Galaxien: In der unmittelbaren Umgebung ihrer zentralen supermassereichen Schwarzen Löcher werden Energien von der Größenordnung aller Sterne einer Galaxie entfesselt. Den Prozess könnten technisch weit fortgeschrittene Zivilisationen auch zur Energiegewinnung und zum Anschub von Raumschiffen nutzen.

Gravitationsbombe und Superstrahler

Dasselbe Prinzip ließe sich für die Entwicklung einer verheerenden Waffe anwenden: Würde man ein Schwarzes Loch vollständig mit einem Hohlspiegel umkleiden, wäre es als Gravitationsbombe einsetzbar. Darauf haben William H. Press und Saul A. Teukolsky vom California Institute of Technology in Pasadena 1972 in der Fachzeitschrift Nature hingewiesen. Zu diesem Zweck müsste man nur durch eine Luke in die Spiegelkugel hineinleuchten – eine Taschenlampe genügt – und die Öffnung wieder verschließen. Das Licht würde im Hohlspiegel ständig hin und her reflektiert. Jedes Mal, wenn es durch die Ergosphäre gelangt, gewinnt es Energie. Durch diesen riesigen Verstärkungseffekt, Superradianz genannt, baut sich ein gewaltiger Lichtdruck auf, bis der Spiegel zerbirst. In diesem Moment wird die Strahlung schlagartig freigesetzt. Im Vergleich dazu wirkt eine Atombombenexplosion wie ein Streichholzflackern.

Der Spiegel könnte in der Praxis allerdings keine starre Kugel sein, denn es gibt kein Trägermaterial, das stabil genug ist, um die gravitativen Kräfte zu ertragen. Es würde aber genügen, ein Ensemble zahlreicher großer Spiegel um das Schwarze Loch zu positionieren, deren geringer Abstand zueinander durch Raketenmotoren aufrechterhalten wird. Außerdem braucht die Energie nicht schlagartig freigesetzt werden, wie bei einer Bombe, sondern könnte auch gezielt ins All abstrahlen.

Solche Extremscheinwerfer wären für eine galaktische Superzivilisation vielleicht ein ideales, weithin sichtbares Kommunikationsmittel. Darauf hat der Astrophysiker Albert A. Jackson in einer Fachpublikation zusammen mit dem Physiker Gregory Benford von der University of California in Irvine hingewiesen. Ihre Überlegungen lassen eher an Science Fiction denken als an harte Wissenschaft – und tatsächlich gehört Benford seit den 1980er-Jahren zu den versiertesten, ideen- und erfolgreichsten Science-Fiction-Autoren der Gegenwart. Doch die Spekulationen verletzten keines der bekannten Gesetze der Physik, sondern stützen sich vielmehr auf diese.

Bei einem typischen stellaren Schwarzen Loch von drei Kilometer Durchmesser müssten sich die Spiegel in einer Entfernung von etwa 20 Kilometern befinden. Bereits nach 13 Sekunden wären die eingestrahlten Radiowellen um den Faktor 1017 verstärkt. Bei einem rotierenden Schwarzen Miniloch mit der Masse der Erde müsste der Spiegelschwarm nur etwa ein Meter entfernt sein. Dann könnte die Superradianz binnen einer Fünfzigstel Sekunde die Galaxis mit hochfrequenten Radiowellen um 33 Gigahertz fluten.

„Ein Watt rein, 1017 Watt raus“, kommentieren Jackson und Benford. „Welches Material die Radiowellen reflektieren kann und wie sich verhindern lässt, dass es dabei schmilzt oder pulverisiert wird, ist ein Problem, das die fortgeschrittene Zivilisation natürlich vorher gelöst haben muss.“

Signale mit Raumzeit-Schwingungen

Selbst Gravitationswellen wären als Signalträger einsetzbar, falls eine Superzivilisation sie manipulieren könnte. Solche von Albert Einstein im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie schon ab 1916 beschriebenen Schwingungen der Raumzeit entstehen immer, wenn Massen beschleunigt werden (bild der wissenschaft 4/2016, „Gravitationswellen“). Sie sind jedoch äußerst schwach. Gleichwohl wurden sie durch irdische Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) seit 2015 bereits rund 100 Mal gemessen: Sie stammen aus der engen Umkreisung Schwarzer Löcher und Neutronensterne sowie von deren Kollision. Dabei werden mithilfe von Laserstrahlen-Interferenzen winzige Längenänderungen in der Größenordnung von einem Tausendstel des Protonen-Radius registriert.

„Gravitationswellen haben als Signalträger viele Vorteile“, sagt Rana Adhikari vom California Institute of Technology. „Die Detektoren messen das Feld, nicht die Leistung, sodass die Signalstärke nur umgekehrt proportional zur Distanz abnimmt und nicht zum Quadrat der Distanz. Zudem werden Gravitationswellen nicht vom interstellaren Medium oder von Sternen gestreut. Und der natürliche Hintergrund ist in vielen Frequenzen gering.“ Es gibt allerdings auch einen gravierenden Nachteil, betont der Physiker: „Um ein detektierbares Signal zu übertragen, erfordern Gravitationswellen einen immensen Energiebetrag, der unsere gegenwärtige Technologie weit übersteigt.“

Um Gravitationswellen herzustellen oder zu modulieren, müsste eine extraterrestrische Intelligenz schier unglaubliche technische Fähigkeiten besitzen. Gut geeignet als Sender wären kleine Schwarze Löcher. Diese sind vielleicht in den ersten Sekundenbruchteilen des Urknalls entstanden. Oder die Außerirdischen müssten sie durch enorme Konzentration von Materie oder Energie selbst herstellen. Minilöcher von der Masse eines Planeten haben einen Radius von etwa einem Zentimeter. Damit ließen sich im Prinzip Gravitationswellen im Gigahertz-Frequenzbereich erzeugen, die stark genug wären, um sie in der gesamten Milchstraße empfangen zu können.

Jackson und Benford haben eine komplizierte Architektur für Sender von Gravitationswellen vorgeschlagen. Wäre ein solcher Sender 100 Lichtjahre von der Erde entfernt, könnten ihn die LIGO-Detektoren im Prinzip schon heute aufspüren, allerdings nur im Bereich von 100 Hertz. Dazu müssten die Sender etwa 1027 Gramm in Energie umwandeln – beinahe die Masse der Erde. „Vielleicht hat LIGO ein Fenster zu Prozessen geöffnet, die nur wenige Gesellschaften in der Galaxis beherrschen. Es könnte uns mehr zeigen, als Astronomen erwarten“, meinen Jackson und Benford.

Wahrscheinlich schwingen artifizielle Gravitationswellen jedoch eher im Gigahertz-Bereich. Sie könnten allenfalls mit Detektoren im Weltraum aufgespürt werden – ähnlich wie bei der für die 2030er-Jahre geplante LISA-Mission (Laser Interferometer Space Antenna), die jedoch einen ganz anderen Empfindlichkeitsbereich hat.

Es ist ein seltsamer und irgendwie beunruhigender Gedanke: Möglicher-weise wimmelt es bereits von interstellaren oder sogar intergalaktischen Gravitationswellen-Botschaften um uns herum. Die Erde befände sich dann mitten in diesem Kommunikationsnetz der gekräuselten Raumzeit, doch wir wären völlig blind und taub dafür.