Kosmische Spurensuche im ewigen Eis – IceCube rüstet auf und jagt Sternenexplosionen
IceCube erweitert seinen Neutrino-Detektor um 650 Sensoren und misst nun auch schwächere Signale aus Sternexplosionen.
Techniker lassen die mit Sensoren bestückten Ketten in zuvor gebohrte Schächte im antarktischen Eis hinab, wo sie den IceCube-Neutrino-Detektor erweitern und neue Messungen ermöglichen. © Yuya Makino, IceCube/NSF
Was im Weltall passiert, bleibt oft im Verborgenen. Licht erreicht uns nur aus bestimmten Regionen. Viele extreme Vorgänge senden kaum sichtbare Strahlung aus. Doch Neutrinos können uns helfen, kosmische Rätsel zu lösen. Diese fast masselosen Teilchen durchqueren Sterne, Planeten und auch die Erde nahezu ungehindert. Wer sie messen kann, erhält Informationen direkt aus dem Inneren gewaltiger Explosionen. Am Südpol arbeitet seit Jahren ein besonderer Neutrino-Detektor daran, genau diese Spuren einzufangen. Nun erhält IceCube ein Upgrade.
2,4 Kilometer unter dem Eis der Antarktis hängen neue Hightech-Sensoren in schmalen Schächten. Sie sollen winzige Lichtblitze registrieren, die entstehen, wenn ein Neutrino im Eis mit einem Atom kollidiert. Mit 650 zusätzlichen Messmodulen erweitert IceCube seine Möglichkeiten erheblich. Ziel ist es, künftig auch energieärmere Neutrinos aus Supernova-Explosionen präzise nachzuweisen. Solche Sternexplosionen prägen die Entwicklung von Galaxien – und damit letztlich auch unsere kosmische Herkunft.
IceCube erweitert seinen Neutrino-Detektor tief im Südpol-Eis
IceCube misst seit 2010 hochenergetische Neutrinos. Das Observatorium liegt direkt am geografischen Südpol. Seine Sensoren stecken in einem Eisvolumen von rund einem Kubikkilometer. Das entspricht einer Milliarde Kubikmeter gefrorenem Wasser. Neutrinos senden selbst kein Signal aus. Sie tragen keine elektrische Ladung. Erst wenn sie im Eis auf ein Atom treffen, entstehen geladene Teilchen. Diese erzeugen einen bläulichen Lichtkegel. Dieses Licht registrieren empfindliche optische Module.
Mit dem aktuellen Ausbau kommen sechs neue Sensorketten hinzu. Jede reicht bis in eine Tiefe von 2.400 Metern. Ein Heißwasserbohrer schmilzt dafür zwei Tage lang einen Schacht ins Eis. Danach friert das Loch wieder zu und fixiert die Technik dauerhaft.
Wichtige Zahlen zum Upgrade:
- 650 zusätzliche Sensoren
- sechs neue Sensorketten
- Tiefe bis 2.400 Meter
- Länge jeder Kette etwa 1.500 Meter
- rund 450 Forschende aus 14 Ländern beteiligt
Die neuen Module heißen mDOMs. In einem etwa 40 Zentimeter großen Gehäuse sitzen mehrere Lichtverstärker, die in alle Richtungen blicken. Dadurch erhalten die Wissenschaftler eine vollständige Rundumsicht im Eis.
Dr. Andreas Haungs vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sagt: „Die Neuheit der optischen Sensoren besteht darin, dass sie mit Photoelektronenvervielfachern in alle Richtungen ausgestattet sind.“ Und weiter: „Dies ermöglicht es uns, Neutrinowechselwirkungen bei niedrigeren Energien zu beobachten.“
Upgrade senkt die Nachweisgrenze deutlich
Bisher konzentrierte sich IceCube vor allem auf extrem energiereiche Teilchen aus fernen Galaxien. Doch Supernova-Explosionen senden auch viele Neutrinos mit geringerer Energie aus, welche bislang unterhalb der Nachweisgrenze blieben. Mit der höheren Sensitivität kann der Neutrino-Detektor nun:
- schwächere Signale erkennen
- die Richtung der Teilchen genauer bestimmen
- ihre Energie präziser berechnen
Das verbessert die Rekonstruktion kosmischer Ereignisse deutlich. Experten erhalten damit zusätzliche Hinweise darauf, wie Sterne kollabieren und schwere Elemente entstehen.
„Das Upgrade wird die Neutrinoastronomie auf niedrigere Energien ausdehnen. Dies öffnet nicht nur ein neues Fenster zum Universum, sondern dient auch als sinnvoller technologischer und praktischer Test für die geplante Erweiterung zu IceCube-Gen2“, erklärt Professor Ralph Engel vom KIT.
IceCube wächst mit deutscher Unterstützung
IceCube wird von der University of Wisconsin in den USA geleitet. Deutschland gilt nach den Vereinigten Staaten als wichtigster Partner. Das Karlsruher Institut für Technologie beteiligt sich seit 2016 an dem Projekt.
Das KIT verantwortet rund 10.000 Fotosensoren in den neuen Modulen. Außerdem bauen deutsche Teams zusätzliche Messinstrumente an der Oberfläche. Dazu gehören Szintillatoren und Radioantennen. Sie erfassen hochenergetische kosmische Strahlung und ergänzen die Daten aus dem Eis.
Für die nächste Ausbaustufe planen DESY und KIT Investitionen von 55 Millionen Euro. Das Projekt trägt den Namen IceCube-Gen2. Das Messvolumen soll dann auf acht Kubikkilometer wachsen. Damit würde sich der erfasste Raum vervielfachen.
Neutrinos liefern frühe Signale aus kollabierenden Sternen
Supernovae gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum. Wenn ein massereicher Stern kollabiert, schleudert er Materie ins All. Gleichzeitig entstehen enorme Mengen an Neutrinos. Diese Teilchen verlassen den Stern fast ungehindert. Licht braucht länger, um nach außen zu gelangen. Neutrinos liefern daher frühe und direkte Informationen über das Innere solcher Explosionen. Mit einem sensibleren Neutrino-Detektor können Wissenschaftler:
- den Ablauf einer Supernova genauer zeitlich verfolgen
- die Energieverteilung der ausgesandten Teilchen analysieren
- Modelle zur Sternentwicklung überprüfen
Solche Daten helfen, die Entstehung schwerer Elemente wie Eisen oder Nickel besser zu verstehen. Auch die Dynamik von Sternkollapsen lässt sich genauer rekonstruieren. Ohne solche Explosionen gäbe es viele der Elemente nicht, aus denen Erde, Technik und sogar der menschliche Körper bestehen. Durch Neutrino-Forschung wird klarer, wie die chemischen Bausteine unseres Planeten überhaupt entstanden sind.
Kurz zusammengefasst:
- Der IceCube-Neutrino-Detektor am Südpol wurde mit 650 zusätzlichen Sensoren in bis zu 2.400 Metern Tiefe erweitert und kann nun auch energieärmere Neutrinos messen.
- Neutrinos entstehen bei extremen Ereignissen wie Supernova-Explosionen und liefern direkte Informationen aus dem Inneren kollabierender Sterne, die mit Licht allein nicht zugänglich sind.
- Durch die höhere Empfindlichkeit lassen sich Richtung, Energie und Herkunft dieser Teilchen präziser bestimmen, wodurch Forscher Sternexplosionen, Elemententstehung und kosmische Prozesse besser verstehen.
Übrigens: Ein umfangreiches Experiment findet keinen Hinweis auf das lange diskutierte sterile Neutrino und stärkt damit das bekannte Drei-Neutrino-Modell. Warum frühere Messabweichungen nun neu bewertet werden müssen und was das für die Teilchenphysik bedeutet, mehr dazu in unserem Artikel.
Bild: © Yuya Makino, IceCube/NSF
