Mit der Astroteilchenphysik Licht ins Dunkle bringen

von Andreas Schwarz

Meinen ersten Vortrag im Rahmen des Astronomie-Treffens am 08. Dezember 2015 hielt ich zu einem Thema aus der Astroteilchenphysik. Es ging um die Entstehung der extragalaktischen Komponente der Kosmischen Strahlung und den Beschleunigungsprozessen in Aktiven Galaktischen Kernen als mögliche Ursache. Eine überarbeitete Version dieses Vortrages wollte ich bei unserem Treffen am 08. Dezember 2020 halten. Dieses konnte aufgrund der Corona-Pandemie nicht stattfinden. Noch ist offen, wann Astronomie-Treffen und Vorträge wieder stattfinden können. Als vorläufiger Ersatz bis zu einem möglichen Vortrag soll dieser Artikel dienen, welchen ich zu diesem Thema schrieb und bereits auf www.pelagon.de veröffentlicht habe.

Die Astroteilchenphysik

Die Astrophysik beschäftigt sich mit dem großen Ganzen, dem Weltall und seinen Objekten und die Teilchenphysik mit den kleinsten Bausteinen der Materie, den Elementarteilchen und sich daraus zusammensetzende Teilchen. Scheinbar handelt es sich um zwei voneinander getrennte physikalische Wissenschaften, doch benötigen wir heute die Teilchenphysik um in der Astrophysik viele noch unbekannte Sachverhalte zu verstehen. Die Astroteilchenphysik ist ein relativ junges Arbeitsgebiet der Physik, das unter anderem den Ursprung der höchstenergetischen Komponente der Kosmischen Strahlung zu ergründen versucht. Zurzeit kann ihre Entstehung noch nicht vollständig erklärt werden. Die Klärung der Frage nach dem Ursprung dieser höchstenergetischen Komponente der Kosmischen Strahlung berühren sowohl die theoretischen Grundlagen der Teilchenphysik als auch der Astrophysik und der Kosmologie. Die Astroteilchenphysik ist daher grundlegend für das Verständnis nach dem Ursprung und den Strukturen unserer heutigen Welt.

Hintergrund

Aus dem Fragment 125 des altgriechischen Gelehrten Demokrit stammt folgender Satz: „Scheinbar ist Farbe, scheinbar Süßigkeit, scheinbar Bitterkeit: wirklich nur Atome und Leeres.“ Gut 2500 Jahre später müssen wir feststellen, dass wir nur einen kleinen Bruchteil unserer Wirklichkeit überhaupt kennen und dass vieles, was wir erkennen können, nur die scheinbare Abbildung einer uns noch unbekannten Wirklichkeit ist. Die dunkle Materie macht einen Großteil der uns noch unbekannten Wirklichkeit aus und ist eine mögliche Quelle für die Entstehung der höchstenergetischen extragalaktischen Komponente der Kosmischen Strahlung. Eine andere mögliche Quelle für diese extragalaktische Komponente sind Beschleunigungsmechanismen in kosmischen Objekten, vor allem in den Jets von Aktiven Galaktischen Kernen (Active Galactic Nuclei, AGN) und Gammastrahlenausbrüchen (Gamma Ray Bursts, GRB). Doch noch sind diese Quellen für uns nur scheinbar und nicht abschließend verifiziert. Relativ sicher ist jedoch, dass die höchstenergetische Komponente der Kosmischen Strahlung extragalaktischen Ursprungs ist und daher auch als extragalaktische Komponente der Kosmischen Strahlung bezeichnet werden kann. Sie erreicht Energien von bis zu 100.000.000.000.000.000.000 eV. Die Abkürzung eV steht für die Energieeinheit Elektronenvolt. Sie wird aus Gründen der Anschaulichkeit gegenüber der offiziellen Energieeinheit Joul (J) in der Teilchenphysik bevorzugt verwendet. Ein eV ist die Energie, die ein Elektron in einem Spannungsfeld  von einem Volt erhält. KeV steht für Kiloelektronenvolt, MeV für Megaelektronenvolt und GeV für Gigaelektronenvolt.

Es gibt zwei Ansätze zur Erklärung der hochenergetischen Komponenten der Kosmischen Strahlung:

·der teilchenphysikalischer Ansatz (Top-Down-Mechanismus)

·der astrophysikalische Ansatz (Bottom-Up-Mechanismus)

Beide Ansätze werden wir nachfolgend betrachten.

Der Top-Down-Mechanismus

Der teilchenphysikalische Ansatz bzw. der Top-Down-Mechanismus setzt die Klärung der Natur der dunklen Materie voraus, die zirka 86 % der existierenden Materie ausmacht. Bis heute haben wir nur Theorien über die Natur der dunklen Materie, wobei die tatsächliche Natur der gesamten dunklen Materie durch Experimente bisher nicht geklärt werden konnte. Die einzigen experimentell nachgewiesenen Vertreter dieser Spezies sind die Neutrinos, langlebige Elementarteilchen mit sehr geringer Masse, die der schwachen Wechselwirkung und der gravitativen Wechselwirkung unterliegen. Sie entstehen durch den Beta-Zerfall (Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron bzw. Zerfall eines Protons in ein Neutron und ein Positron. Bei dieser Reaktion entsteht jeweils auch ein Antineutrino bzw. ein Neutrino), fliegen fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum und wechselwirken fast überhaupt nicht mit der sichtbaren Materie. Die Neutrinos leisten allerdings nur einen unbedeutenden Beitrag zur gesamten dunklen Materie. Wir gehen daher davon aus, dass noch weitere Teilchen die Ursache der dunklen Materie sein können. Diese Teilchen sollen sehr große Massen haben und sich nur mit ein paar Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Nach einer Theorie soll nämlich zu jedem Elementarteilchen der uns vertrauten Materie ein sogenanntes SUSY-Teilchen, also ein supersymmetrisches, sehr schweres Teilchen, existieren. Zur Unterscheidung zwischen normalen Teilchen und den SUSY-Teilchen werden letztere mit der Endung -ino versehen. So ist z.B. das entsprechende SUSY-Teilchen zum Proton das Protolino.  Diese Teilchen könnten im früheren Universum entstanden sein, also im Bruchteil der ersten Sekunde nach dem Urknall. Zu dieser Zeit war die Energiedichte im Kosmos noch enorm hoch und die vier Wechselwirkungen (schwache, starke, elektromagnetische, gravitative) waren noch untrennbar in einer Wechselwirkung, der sogenannten supersymmetrischen Wechselwirkung, zusammengeschlossen. Der Theorie zufolge ist die Lebensdauer dieser Teilchen recht klein, so dass die meisten von ihnen zerfallen sein sollten. Zuerst verschwanden die Teilchen mit der größten Masse, weil diese Teilchen nur bei entsprechenden Energiedichten entstehen. Mit wachsender Ausdehnung und Abkühlung des Universums nahm dann die Energiedichte stetig ab, und es verschwanden sukzessiv immer leichtere Teilchen. In unserem relativ kalten Universum von niedriger Energiedichte dürften sich daher lediglich solche SUSY-Teilchen erhalten haben, deren Massen 100 GeV/c², was einer Masse von 100 Protonen entspricht, nicht wesentlich übersteigen. (Energie und Masse sind gemäß der Einsteinschen Gleichung E = mc² gleichwertig. In der Teilchenphysik ist es üblich die Masse eines Teilchens in Energieeinheiten anzugeben. Die Form m = E/c² führt zur Einheit eV/c²). Im Falle der extragalaktischen bzw. hochenergetischen Komponente der Kosmischen Strahlung könnten SUSY-Teilchen in Protonen mit der geforderten Energie annihilieren (umwandeln).

Der Bottom-Up-Mechanismus

Der astrophysikalische Ansatz bzw. der Bottom-Up-Mechanismus geht von kosmischen Beschleunigungsmechanismen aus, die die Teilchen der extragalaktischen Komponente der Kosmischen Strahlung auf solch hohe Energien beschleunigen. Als grundlegende Quellen gelten die Jets in den Aktiven Galaktischen Kernen (AGN) und Gamma Ray Bursts (GRB, Gammastrahlenausbruch). Die Entstehung der Jets der AGN wird seit 1977 auf Basis der Magnetohydrodynamik (MHD) grundsätzlich durch den Blandford-Znajek-Mechanismus erklärt. Nachfolgend werden diese Begriffe im Einzelnen erklärt. Ein AGN besteht aus einem supermassiven Schwarzen Loch, um das sich herum eine rotierende Akkretionsscheibe aus Gas und Staub gebildet hat. Um die Akkretionsscheibe herum besteht noch ein Torus aus Staub. Aus der Mitte der Akkretionsscheibe direkt über dem super massiven schwarzen Loch schießt getrieben und gebündelt von gewaltigen Magnetfeldern ein Plasmastrahl, der sogenannte Jet. Die Akkretionsscheibe ist vergleichbar mit einem Strudel. Von außen nach innen wird durch die Akkretionsscheibe Materie in das super massive schwarze Loch befördert (akkretiert). Der Vergleich mit dem Verhalten der Teilchen einer Flüssigkeit biete sich in erster Näherung durchaus an. Mit der Hydrodynamik werden solche Teilchenbewegungen in einer Flüssigkeit beschrieben. Kommen noch Magnetfelder hinzu, wie sie immer bei solchen Vorgängen auftreten, muss die Hydrodynamik um die Physik des Magnetfeldes zur Magnetohydrodynamik (MHD) erweitert werden. Ein konkretes Modell dazu ist der Blandford-Znajek-Mechanismus. Dieser Mechanismus geht von einem rotierenden supermassiven Schwarzen Loch aus, dem sogenannten Kerr-Loch. Um das Loch bildet sich eine rotierende Akkretionsscheibe, die von Magnetfeldern in Richtung der Rotationsachse des Kerr-Loches durchbrochen wird. Die Magnetfeldlinien werden dabei aufgewickelt und gegenseitig vernichtet. Die dabei frei werdende Energie wird auf das Material in der Umgebung, in der Regel auf Plasmen (vollständig ionisiertes Gas), übertragen. Energieflüsse, sogenannte Poynting-Flüsse, bewegen sich trichterförmig nach außen und reißen dabei akkretiertes Plasma mit. Dabei wird die Materie über große Entfernungen vom Kerr-Loch wegtransportiert und dabei stark kollimiert (gebündelt). Die Akkretionsscheibe selbst wurde im Rahmen der MHD zunächst mit Hilfe der flachen Standard Accretion Disk (SAD) und der sphärischen Advection Dominated Accretion Flow (ADAF) beschrieben. Das SAD-Modell ist eine flache Standart-Akkretionsscheibe, in der sich die Staub- und Gasteilchen wie die Planeten unseres Sonnensystem in einer Ebene um das gravitative Zentrum bewegen. Dies Modell berücksichtigt jedoch nicht das Vorhandensein eines heißen Plasmas, welches zu einer advektionsdominierten Akkretion (temperaturbedingte Materiebewegungen) führt. Diesen Nachteil gleicht das ADAF-Modell aus, das im Gegensatz zur flachen SAD-Akkretionsscheibe kugelförmig ist. In der Nähe des supermassiven schwarzen Loches müssen die Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigt werden. Daher wurde die Magnetohydrodynamik (MHD)  im Jahre 1999 mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zur Allgemein Relativistischen Magnetohydrodynamik (GRMHD) erweitert. Seit dem wird für die Beschreibung der Akkretionsscheibe das NRAF-Modell (Non-Radiative Accretion Flow) verwendet. Das NRAF-Modell beschreibt sämtliche Akkretionsflüsse, die nicht durch Strahlungsprozesse gekühlt oder aufgeheizt werden können. Da Viskosität und Wärmeleitung unberücksichtigt bleiben, ist die nummerische Lösung der NRAF-Gleichungen einfacher. Die Simulationen zur Beschreibung der Akkretionsscheibe und zur Entstehung der Jets gehen zurzeit vom NRAF-Modell in Verbindung mit dem Payn-Znajek-Mechanismus aus. Der Payn-Znajek-Mechanismus ist eine verallgemeinerte Form des Blandford-Znajek-Mechanismus und lässt sich auch auf Sachverhalte ohne Kerr-Loch anwenden. Die Entstehung der extragalaktischen Komponenten der Kosmischen Strahlung erfolgt nach bisherigen Kenntnisstand wahrscheinlich in den heißen Flecken der Jets (Hot Spots), die sich an der Jet-Spitze befinden und die beim Übergang von beschleunigtem Plasma aus den Jets auf die extragalaktische Materie entstehen. In diesen Hot Spots kommt es zu einer Schockbeschleunigung, was wahrscheinlich zu einer Nachbeschleunigung der Protonen, dem Hauptbestandteil der extragalaktischen Komponenten der Kosmischen Strahlung, auf die hohen Energien von mehr als 100.000.000.000.000.000.000 eV führt. Diese Schockbeschleunigungsmechanismen sind nur für die Entstehung der galaktischen Komponente der Kosmischen Strahlung, wie sie etwa bei Supernovae auftreten, gut verstanden. Die geforderten hohen Energien der extragalaktischen Komponente können sie bisher nicht abschließend erklären. Zum Teil reichen die notwendigen Stärken der Magnetfelder hierfür nicht aus. Dennoch liefern die Schockbeschleunigungsmodelle für die galaktische Komponente der Kosmischen Strahlung wichtige Ansätze für ein entsprechendes Beschleunigungsmodell zur Erklärung der extragalaktischen Komponente. Bei einem Gammastrahlenausbruch (Gamma Ray Bursts, GRBs) spielen vergleichbare Beschleunigungsmodelle eine Rolle für die mögliche Entstehung der ultra-hohen Energien der Protonen. So entsteht bei einem GRB ein vergleichberer Mechanismus mit einem stellaren schwarzen Loch. Im Gegensatz zu einem super massiven schwarzen Loch mit bis zu Milliarden von Sonnenmassen hat ein stellares schwarzes Loch eine vergleichbar sehr kleine Masse von nur einigen Sonnenmassen.

Ausblick

Die Entstehung der extragalaktischen bzw. höchstenergetischen Komponente der Kosmischen Strahlung ist eines der großen Rätsel der Astrophysik. Ebenso ein Rätsel bleibt die Natur der Dunklen Materie. Wir wissen dass unser Universum nur zu zirka 4 % aus der uns bekannten Materie, der baryonischen Materie (z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen und Photonen) besteht. Zirka 26 % des Universums besteht aus Dunkler Materie und zirka 70% aus Dunkler Energie. Die Dunkle Materie, deren Natur noch völlig unbekannt ist, können wir über ihre Gravitationswirkung nachweisen. Die Dunkle Energie, deren Natur ebenfalls völlig unbekannt ist, können wir über ihre beschleunigende Wirkung auf die Ausdehnung des Universums nachweisen. Doch letztendlich kennen wir nach bisherigem Kenntnisstand nur 4 % des Existierenden. Nur in einer Zusammenarbeit von Astrophysik und Teilchenphysik können die großen Rätsel des Universums gelöst werden. Die Astroteilchenphysik ist daher ein wichtiger und grundlegender Forschungszweig.

Informationen

Ausführliche Informationen zu diesem Thema finden sich unter folgendem Link: https://www.astromare.org/theoretische-astronomie/deep-sky/extragalaktische-astronomie/ Hierbei sei auf die pdf der Abhandlung „Extragalaktische Astronomie“ und insbesondere Kapitel 4 Aktive Galaxien verwiesen.