Protonen und andere Teilchen aus dem Weltall ionisieren die Atmosphäre
Die von radioaktiven Stoffen in den obersten Schichten der Erdkruste ausgehende Strahlung verursacht eine ständige, leichte Ionisation der Luft. Diese Ionisation müsste mit der Höhe abnehmen, doch Anfang des 20. Jahrhunderts mehrten sich die Anzeichen dafür, dass dies keineswegs der Fall ist. Bei einer Reihe von Ballonflügen in Höhen von bis zu 5350 Metern gelang es dem österreichischen Physiker Victor Hess 1912 schließlich, sogar einen Anstieg der Ionisation mit zunehmender Höhe nachzuweisen. Seine Schlussfolgerung, die dafür verantwortliche Strahlung müsse extraterrestrischen Ursprungs sein, gilt heute als Entdeckung der „kosmischen Strahlung“ – und wurde schließlich 1936 mit der Verleihung des Physik-Nobelpreises belohnt.
Der überwiegende Teil – 85 bis 90 Prozent – der kosmischen Strahlung besteht aus Protonen. Hinzu kommen Alpha-Teilchen, also Atomkerne von Helium, Elektronen und in geringem Umfang auch schwerere Atomkerne. Dringen diese „primären“ Teilchen mit hoher Energie in die Erdatmosphäre ein, so erzeugen Zusammenstöße mit Luftmolekülen gewaltige Schauer aus Millionen von „sekundären“ Teilchen, die sich am Erdboden über eine Fläche von mehreren Quadratkilometern verteilen können.
Mit großen Detektoranlagen wie dem Pierre Auger Observatory in Argentinien registrieren und vermessen Forscher solche Teilchenschauer. Zusätzlich empfangen spezielle Teleskope die sogenannte Cherenkov-Strahlung der Teilchenschauer. Sie entsteht, wenn elektrisch geladene Teilchen sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die größer ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts um durchquerten Medium, in diesem Fall also der Luft.
Woher stammen die hochenergetischen primären Teilchen der kosmischen Strahlung? Ein großer Teil hat seinen Ursprung in Supernova-Überresten, insbesondere ausgelöst durch expandierende Stoßwellen im interstellaren Medium. Insbesondere die Teilchen mit den größten Energien erreichen die Erde aber aus weit größerer Entfernung: Als Ursachen kommen neben aktiven Galaxienkernen auch Gammastrahlungsausbrüche infrage. Allerdings ist der Ursprung der ultrahochenergetischen Komponente der kosmischen Strahlung bislang nicht abschließend geklärt und ein wichtiger Aspekt der aktuellen Forschung in der Astroteilchenphysik.
Bildquelle: Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics
