Der Mondschatten im Licht der kosmischen Strahlung

IceCube, der riesige Neutrinodetektor im Eis des Südpols, hat gewissermaßen sein erstes astronomisches Objekt abgelichtet: den Erdmond. Eigentlich sucht IceCube ja nach energiereichen Neutrinos aus den Tiefen des Alls, die zwar praktisch unsichtbar sind, tief im Erdinnern aber so genannte Myonen erzeugen, die IceCubes im Eis eingeschmolzene Sensoren registrieren. Viel häufiger regnen allerdings Myonen von oben herab: dann nämlich, wenn geladene kosmische Teilchen, Protonen zumeist, in die Erdatmosphäre eindringen und dort Teilchenschauer auslösen. Da die Flugrichtung des Myons im Wesentlichen mit der des Protons übereinstimmt, können die IceCube-Forscher die Bahn des ursprünglichen Teilchens am Himmel zurückverfolgen.

Steht dem hochenergetischen Proton nach tausenden Lichtjahren Reise aber kurz zur der Ankunft auf der Erde der Mond im Weg, so bleibt es im Material des Erdtrabanten stecken. Aus der Richtung des Mondes treffen daher weniger kosmische Teilchen ein, und der „Mondschatten“ zeichnet sich in der Zahl der gemessenen Myonen ab: Mondfinsternis einmal anders.

Das Blaue in der Mitte ist der Mondschatten, wie IceCube ihne „sieht“ – oder besser das „Myonendefizit“ an der jeweiligen (veränderlichen) Mondposition, aufsummiert über einen Zeitraum von zwei Jahren. Das kurze Video illustriert das Prinzip dieser Messung nochmals:

Natürlich ist das ganze keine Spielerei. Dass die Erde einen Mond hat, wissen auch Neutrinophysiker. Ihnen geht es darum, ihren Detektor genau zu kalibrieren, um zukünftig die Herkunftsrichtungen kosmischer Neutrinos rekonstruieren zu können. Dass das Auflösungsvermögen des Neutrinoteleskops in den Maßstäben der optischen Astronomie sehr bescheiden ist, erkennt man gleich: es liegt im Bereich einiger zehntel Grad.

Die Richtungsinformation der Neutrinos ist die spannendste Information, die diese flüchtigen Teilchen beinhalten. Denn im Gegensatz zu den elektrisch geladenen und damit den Magnetfeldern im Kosmos ausgesetzten Protonen bewegen sich Neutrinos auf geradem Wege von der Quelle zum Beobachter. Neutrinos sollen daher eine 100 Jahre alte Frage klären: die nach der Herkunft der kosmischen Teilchenstrahlung.

Vor wenigen Wochen hat die IceCube-Kollaboration die Entdeckung der womöglich ersten 28 kosmischen Neutrinos bekannt gegeben. Nicht viel, aber ein Anfang. Wo sie herstammen, weiß man noch nicht. Mit Hilfe des Erdmonds könnten die Forscher es bald herausfinden.

Originalarbeit: Observation of the cosmic-ray shadow of the Moon with IceCube arXiv:1305.6811

Mit dem Astronomievirus infiziert wurde ich Mitte der achtziger Jahre, als ich als 8-Jähriger die Illustrationen der Planeten auf den ersten Seiten eines Weltatlas stundenlang betrachtete. Spätestens 1986, als ich den Kometen Halley im Teleskop der Sternwarte Aachen sah (nicht mehr als ein diffuses Fleckchen, aber immerhin) war es um mich geschehen. Es folgte der klassische Weg eines Amateurastronomen: immer größere Teleskope, Experimente in der Astrofotografie (zuerst analog, dann digital) und später Reisen in alle Welt zu Sonnenfinsternissen, Meteorschauern oder Kometen. Visuelle Beobachtung, Fotografie, Videoastronomie oder Teleskopselbstbau – das sind Themen die mich beschäftigten und weiter beschäftigen. Aber auch die Vermittlung von astronomischen Inhalten macht mir großen Spaß. Nach meinem Abitur nahm ich ein Physikstudium auf, das ich mit einer Diplomarbeit über ein Weltraumexperiment zur Messung der kosmischen Strahlung abschloss. Trotz aller Theorie und Technik ist es nach wie vor das Erlebnis einer perfekten Nacht unter dem Sternenhimmel, das für mich die Faszination an der Astronomie ausmacht. Die Abgeschiedenheit in der Natur, die Geräusche und Gerüche, die Kälte, die durch Nichts vergleichbare Schönheit des Kosmos, dessen Teil wir sind – eigentlich braucht man für das alles kein Teleskop und keine Kamera. Eines meiner ersten Bücher war „Die Sterne“ von Heinz Haber. Das erste Kapitel hieß „Lichter am Himmel“ – daher angelehnt ist der Name meines Blogs. Hier möchte ich erzählen, was mich astronomisch umtreibt, eigene Projekte und Reisen vorstellen, über Themen schreiben, die ich wichtig finde. Die „Himmelslichter“ sind aber nicht immer extraterrestrischen Ursprungs, auch in unserer Erdatmosphäre entstehen interessante Phänomene. Mein Blog beschäftigt sich auch mit ihnen – eben mit „allem, was am Himmel passiert“. jan [punkt] hattenbach [ät] gmx [Punkt] de Alle eigenen Texte und Bilder, die in diesem Blog veröffentlicht werden, unterliegen der CreativeCommons-Lizenz CC BY-NC-SA 4.0.

5 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Unter besonderer Berücksichtigung v. K40

    Eine silhouette der guten alten Erde dürfte sich unter Verwendung von IceCube-Daten sicher ebenfalls abzeichnen lassen; wie z.B. http://icecube.wisc.edu/…ts/IceCubeDesignDoc.pdf (Fig. 14, links) nahelegt.
    (Eine mehr oder weniger kreis-symmetrische Darstellung von Messwerten, entsprechend dem im Artikel gezeigten Bild „Das Blaue in der Mitte ist der Mondschatten, wie IceCube ihn[…]„, habe ich allerdings leider nicht gefunden.)

    Zusatzfrage:
    wieviel Kalium-40 (Kalium-Isotop mit http://de.wikipedia.org/wiki/Massenzahl A = 40) wird wohl etwa pro Jahr in der Erde durch Wechselwirkung von Neutrinos mit vorhandenem Argon-40 erzeugt?

  2. Sonnenschatten

    Hallo Karl Bednarik,

    man sieht in folgender Arbeit sowohl Mond- als auch Sonnenschatten:

    http://scipp.ucsc.edu/…rs/christopher_thesis.pdf

    Bilder und Graphiken des Mondschattens ab Seite 82 (Seite 102 der PDF-Datei), Bilder und Graphiken des Sonnenschattens ab Seite 101 (Seite 121 der PDF-Datei).

    mfg,
    usr

  3. Hallo usr,

    Hallo usr, danke für die interessanten Informationen.

    Die kosmischen hochenergetischen Protonen werden auf den letzten 150 Millionen Kilometern vom solaren Magnetfeld offenbar nur wenig abgelenkt.

    Ansonsten müsste das Schattenbild einen „Schweif“ zu den ein wenig weniger hochenergetischen Protonen haben.

    Mit freundlichen Grüssen, Karl Bednarik.

  4. Magnetische Ablenkung

    Hall Karl Bednarik,

    es ist vollkommen richtig, dass das echte Schattenbild einen Schweif zeigen müsste.

    Soweit ich verstehe, wurde für das von mir verlinkten Dokument die Bahn eines jeden detektierten Teilchens durch das Magnetifeld zurückberechnet.

    Die Flussdichte des interplanetaren Magnetfelds im Abstand der Erde von der Sonne beträgt ca. 5 nT. Wenn man jetzt z.B. nur so hochenergetische Teilchen berücksichtigen will, dass der Rand des Schattens wenigstens bei der tatsächlichen Position der Sonnenmitte zu sehen ist, dann helfen folgende Überlegungen:

    Bei vereinfacht auf Kreisbahnen laufenden kosmischen Protonen muss der Radius mindestens (Abstand der Sonne)^2/(2 * Radius der Sonne) = 16 Milliarden km betragen.

    Der Protonenimpuls muss dann mindestens ca. 2.4*10^13 Elektronenvolt/c betragen.

    Eigentlich noch um einiges mehr, weil das Magnetfeld näher bei der Sonne natürlich stärker ist.

    Bei so hohen Impulsen ist die Energie in guter Näherung Impuls * c.
    (Teilchenphysiker verwenden meistens das Elektronenvolt (eV) als Energieeinheit, eV/c als Impulseinheit und eV/c^2 als Masseneinheit)

    mfg,
    usr

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