Signale aus dem Inneren der Erde in der Antarktis aufgefangen? So suchen deutsche Forscher nach Antworten auf fundamentale Fragen der Physik

Unsere Messgeräte, die nach Signalen, Teilchen oder besonderen Ereignissen im All lauschen, sitzen längst nicht nur im Orbit – auch tief in der Arktis wird geforscht. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Dezember: In der Antarktis ist das der Monat maximalen Lichts. Wenn bei uns unterm geschmückten Weihnachtsbaum die Geschenke liegen, herrscht bei Forschern am Südpol Hochbetrieb. Ihr Blick richtet sich Richtung All, um Milliarden Jahre alte Teilchen aufzuspüren. 2006 und 2014 erhielten sie dabei einzigartige Geschenke, die bis heute noch nicht ganz ausgepackt sind:

Ein Forschungsballon namens ANITA (kurz für: Antarctic Impulsive Transient Antenna) registrierte zwei Schauer hochenergetischer Teilchen. An sich stellen die keine Besonderheit dar – das Unerwartete ist die Richtung, aus der sie kamen.

Die registrierten Teilchen müssten laut den Daten aus dem Inneren der Erde sowie aus Tausenden Metern Eis gekommen sein. Das kann eigentlich nicht sein, es widerspricht der geläufigen Physik.

Wir erklären euch mithilfe eines der führenden deutschen Experten, wieso wir überhaupt gerade in der Antarktis nach Teilchen aus dem Weltall Ausschau halten und weshalb dieses Ereignis die Wissenschaft erschütterte.

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Auf die Richtung kommt es an…

Die Erde ist einem ständigen Strom aus hochenergetischen Teilchen ausgesetzt, die fast mit Lichtgeschwindigkeit durchs All rasen.

Einige von ihnen, sogenannte Neutrinos, können in die Erde eindringen und sie ohne Zusammenstoß durchqueren. Doch unter bestimmten Bedingungen kollidieren sie oder andere, deutlich schwere Teilchen mit unserem Planeten oder seiner Atmosphäre.

Wenn das geschieht, ergießt sich eine auffächernde Fontäne an neu erzeugten Partikeln durch die Atmosphäre, ein Teilchen-/Luftschauer. Den kann der ANITA-Ballon dank umfassender Antennenanlagen in rund 30 Kilometer Höhe auffangen und seine Richtung durch Berechnungen feststellen.

Normalerweise weisen diese Kaskaden von Partikeln aber nach unten, abwärtsgerichtete Schauer also. 2006 und 2014 kamen aber zwei von unten (aufwärtsgerichtete Schauer). Durch weitere Analysen wurde festgestellt: Sie müssen von Teilchen stammen, die einmal quer durch die Erde gereist sind – und das, obwohl sie extrem energiereich waren

Neutrinos können das aber nach unserem gegenwärtigen Kenntnisstand nicht, denn bei hohen Energien wird die Erde für sie größtenteils undurchlässig. Neutrinos können dann nur durch ihren Rand fliegen. So ein Szenario passt aber nicht zum Winkel des nach oben gerichteten Luftschauers. Sie müssen steil aus der Erde/dem Eis gekommen sein.

Dem mysteriösen Teilchen auf der Spur

Hier kam das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien ins Spiel. Dabei handelt es sich um eine riesige Anlage, die ebenfalls nach den Folgen von Teilchenkollisionen in der Atmosphäre sucht. Neugierig, ob die seltsamen Schauer auch hier in den Daten stecken, machten sich die Forscher an die Recherche – bis heute ohne Fund, aber dennoch mit Erfolg.

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Letztendlich bleiben die zwei ANITA-Ereignisse ein Mysterium – selbst für die Forschung. Denn es gibt in beiden Fällen keine schlüssige Erklärung, was genau passiert ist. Standard-Neutrinos dürften es nicht gewesen sein, da sie die Erde bei der je gemessenen Energie niemals hätten durchqueren können.

Hypothetische Interpretationen lauten:

• Dunkle Materie, die in einem extrem seltenen Fall doch mit Materie interagiert hat.
• Sterile Neutrinos, die zum Beispiel nur über Gravitation mit Materie interagieren. Sie könnten sich der Theorie nach im Inneren der Erde durch komplexe Prozesse in ein Standard-Neutrino verwandeln und so einen Teilchenschauer auslösen.
• Bisher unbekannte Teilchen, die wir noch nie beobachtet haben.

In Zukunft planen die Köpfe hinter ANITA mit PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations) dem Rätsel weiter auf den Grund zu gehen. Im Dezember 2026 soll der größere und technisch ausgefeiltere Observations-Ballon da ansetzen, wo sein Vorgänger aufhörte.

Weshalb suchen wir nach Teilchen aus dem All – und dann in der Antarktis?

Die Antarktis ist durch mehrere Faktoren der ideale Ort zur Erforschung von Teilchen aus dem All. Laut Ralph Engel sei er als Forschungsraum schlicht einzigartig.

Vor allem braucht ANITA als Luftfahrzeug spezielle Bedingungen, um ihren Dienst für die globale Wissenschaft vor Ort zu leisten:

• Relativ simple Rechtslage für Langzeit-Ballonflüge: Die Antarktis ist internationales Gebiet. Im Bereich der Arktis wären diverse Überfluggenehmigungen von miteinander konkurrierenden Nationen erforderlich (Russland, Dänemark, USA, Kanada).
• Gute Wetterlage: In der Antarktis wehen zirkumpolare (den Pol umrundende) Winde, die ANITA über lange Zeit hinweg den Pol in großer Höhe umkreisen lassen.
• Zuvorkommende Topografie: Die Antarktis hat eine relativ glatte Eis-Oberfläche (zumindest im Vergleich zum Rest der Erde eine quasi ebene Fläche).
• Wenig Störsignale: In der Antarktis sind wenig künstliche, vom Menschen erzeugte Radiosignale, die die Analysen der natürlichen Impulse von den Teilchenkaskaden erschweren.

»ANITA hat jeden Touristen nahe dem Südpol genau in den Daten gesehen«, fasst Engel die Empfindlichkeit des Ballon-Observatoriums zusammen. Wären es mehr als nur die vereinzelten, wäre die Forschung gefährdet. Allerdings wird auch der Antarktis-Tourismus mittlerweile durch die Expeditions-Kreuzschifffahrt beliebter.

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All diese Arbeit, egal ob mit ANITA, dem Pierre-Auger-Observatorium oder mit weiteren Anlagen wie dem IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol, gehört zur sogenannten Grundlagenforschung, mit dem Ziel, Neutrinos von astrophysikalischen Objekten wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen zu messen.

So lernen wir aus der Ferne fortwährend Neues über die extremsten Ereignisse im Universum und ihre hochenergetischen Folgen. Zudem studieren wir die Neutrinos selbst, um ihre Eigenschaften besser zu verstehen. In Zukunft, so spekulieren Forscher wie Ralph Engel, mögen uns die rätselhaften Teilchen gar als Träger von Botschaften für Alien-Zivilisationen dienen.

Das Mittel der Wahl hierfür wäre eine gewaltige Hightech Kanone, die gebündelte Strahlen zu einem exakt gewählten Ort feuert. Klingt kriegerisch, wäre jedoch harmlos – aber quasi unübersehbar. Mehr dazu erfahrt ihr im verlinkten Artikel.

Was denkt ihr? Interessieren euch mehr solche tieferen Einblicke in einzelne Nischen der Wissenschaft? Schreibt uns eure Meinung und Gedanken gerne in die Kommentare!