Die X-Akten der Astronomie: Die mysteriösen U-Bahn-Funksignale

Dank immer besserer Technologie, innovativer Ansätze und internationaler Zusammenarbeit blüht die Astronomie auf. Während viele Beobachtungen helfen, Theorien zu verfeinern oder zu ordnen, gibt es immer Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Geheimnisvolle Signale, angebliche Verstöße gegen die Naturgesetze und vorerst nicht erklärbare Phänomene. Die Öffentlichkeit diskutiert gerne, ob es Spuren außerirdischer Intelligenz gibt. Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber die Fantasie wird überall angeregt.

In einer Reihe von Artikeln über heise online in den nächsten Wochen werden wir einige dieser astronomischen Anomalien aus einer kürzlich präsentierten Sammlung vorstellen und erklären, warum alle Versuche, sie bisher zu erklären, fehlgeschlagen sind.

Die Kosmologie befasst sich nicht nur mit den Tiefen des Raums. Die Kosmologie ist auch eng mit der Teilchenphysik verbunden, insbesondere wenn es um die Frage der Dunklen Materie geht, und dies kann auch auf der Erde gesucht werden. Vor zwei Jahren wurde in der Presse berichtet, dass das ANITA-Ballonexperiment in der Antarktis möglicherweise Spuren bisher unbekannter Partikel gefunden hat, die mit dunkler Materie zusammenhängen könnten. Wie erwartet wurden die Hypothesen umgesetzt, was dazu führte, dass die Beobachtungen von ANITA in den Katalog der Anomalien des Breakthrough List Project aufgenommen wurden. Kürzlich wurde eine sehr erstaunliche These veröffentlicht, die alle zuvor geäußerten Hypothesen verschwenden könnte.

Die quantenphysikalische Nichtigkeit des Seins

Warum können wir eigentlich auf einem Stuhl sitzen oder auf dem Boden stehen? Die Frage scheint absurd, aber die Antwort führt schnell zum Abgrund der Quantenphysik und sogar der Dunklen Materie. Weil wir aus Atomen bestehen, die wiederum aus Kernteilchen bestehen (elektrisch positiv geladene Protonen und Neutronen, die nach außen neutral sind), die wie eine Wolke von negativ geladenen Elektronen umgeben sind. Die Kerne enthalten 99,95 Prozent der Atommasse, sind aber hunderttausendmal kleiner als die Elektronenwolke. Die Elektronen selbst sind innerhalb des Bereichs der Messgenauigkeit, den wir erreichen können, punktförmig, aber die Quantenphysik verhindert, dass zwei Elektronen im gleichen Quantenzustand denselben Raum teilen, und dies hält sie auseinander und auch die Atome als Ganzes auf Abstand. Das Größenverhältnis zwischen den Kernteilchen und der Elektronenwolke entspricht in etwa dem des Stecknadelkopfes in einem Sportstadion. Atome sind also im Wesentlichen leere Räume.

Die Abstände zwischen den Elektronen sind relativ groß, da die elektrische Abstoßung derselben Ladungen einen weiten Bereich hat. Von den vier Grundkräften haben die elektromagnetische Wechselwirkung und die Schwerkraft einen unendlichen Bereich, während die starken und schwachen Wechselwirkungen normalerweise nur einen Bereich von 10 haben.^-fünfzehn m (ungefähr der Durchmesser eines Kernteilchens) oder 10^-18 m (ein Tausendstel eines Kerns!). Elektronen, Protonen und Neutronen können auch über die schwache Wechselwirkung interagieren, wenn nur ein Teilchen nahe genug kommt.

Wenn es ein Teilchen gäbe, das die elektromagnetische Kraft nicht fühlen könnte, wäre das Atom tatsächlich ein großer leerer Raum für dieses Teilchen, durch den es ungehindert fliegen könnte. Zumindest wenn es die schwache Wechselwirkung spürte, bildete jedes Elektron und jeder Quark eines Atoms ein winziges Ziel von der Größe von Bakterien, das über die Querschnittsfläche eines Sportstadions verstreut war. Und du musst sie zuerst treffen.

10 Billionen Kilometer Blei

Es gibt tatsächlich solche Teilchen, die Neutrinos. Beispielsweise entstehen sie in großer Zahl bei Kernfusionsreaktionen in der Sonne (solare Neutrinos). Da die Sonnenmaterie für sie praktisch nicht existiert, entkommen sie fast mit Lichtgeschwindigkeit aus dem Inneren der Sonne, und ein kleiner Teil von ihnen erreicht nach 8 Minuten und 20 Sekunden die Erde und dringt mit ihren Bewohnern ein, als wären sie nicht dort. Wenn eine Gruppe von Solarneutrinos eine Lichtplatte mit einer Dicke von einem Lichtjahr treffen würde – das sind 9.460.000.000.000 Kilometer -, würde die Hälfte auf der anderen Seite herauskommen.

Es ist daher schwierig, Neutrinos nachzuweisen. Neutrino-Observatorien tun dies mit riesigen unterirdischen Behältern, die normalerweise mit Flüssigkeiten wie Argon oder Wasser oder Feststoffen wie Glas oder Eis gefüllt sind. Je größer das Volumen des Detektormediums ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass einzelne Neutrinos nachgewiesen werden können. Wenn eines der Milliarden Neutrinos der Sonne oder eine kosmische Quelle, die jeden Quadratzentimeter der Erde durchdringt, einem Kern oder Elektron nahe kommt, mit dem sie schwach reagieren, kann eine Reaktion ausgelöst werden.

Dadurch wird häufig ein Partikel freigesetzt, das einen Lichtblitz oder eine Lichtspur im Detektormedium verursacht, die von empfindlichen Photosensoren erfasst wird. Berühmt ist das IceCube-Experiment in der Antarktis, bei dem ein Volumen von 1 Kubikkilometer antarktischem Eis mit Fotosensoren ausgestattet wurde, die durch Bohrlöcher an kilometerlangen Kabeln in das Eis eingeführt wurden. Die Bohrlöcher wurden dann mit Wasser geflutet, wodurch die Fotosensoren im Eis eingefroren wurden.

Kosmische Asse

Physiker spezifizieren Teilchenenergien in Elektronenvolt, damit es sich nicht um unpraktisch kleine Zahlen handelt: 1 eV ist die Energie, die ein Elektron (oder ein anderes Teilchen mit einer Elementarladung wie ein Proton) absorbiert, wenn es eine elektrische Spannung von einem Volt durchläuft. geht. In Beschleunigern werden die Partikel angetrieben, indem sie wiederholt durch hohe Spannungen geleitet werden. Als Energieeinheit können Elektronenspannungen natürlich auch in Joule (oder die altmodischen Kalorien) umgewandelt werden: 1 eV = 1,6 10^-19 J. Teilchenmassen werden auch oft in eV angegeben, weil E = mc² eine Masse m mal die Lichtgeschwindigkeit c im Quadrat einer Energie E entspricht. Richtig, die Masse wird dann als E / c² geschrieben, so viel eV / c², aber Physiker sind faul zu schreiben, dass c² gerne weggeht, Sie wissen, was gemeint ist. Ich werde es der Klarheit halber behalten.

Das Antarctic Impulsive Transient Experiment (ANITA) sucht ganz anders nach Neutrinos als in den klassischen Observatorien. Es ist das erste Gerät, das nach Neutrinos mit extrem hohen Energien von 10 sucht¹⁸ bis zu 10²¹ Elektronenvolt (eV) oder kurz geschrieben mit den Präfixen 1 Exa-Elektronenvolt (EeV) bis 1 Zetta-Elektronenvolt (ZeV). 1 ZeV ist 160 Joule, was in der Größenordnung der kinetischen Energie eines mit 190 km / h geschlagenen Tennisballs oder eines mit fast 100 km / h getretenen Fußballs liegt – konzentriert in einem einzigen Elementarteilchen! Es wird angenommen, dass sich Teilchen mit solchen Energien bilden, wenn kosmische Strahlenteilchen (wie Protonen, Neutronen und Heliumkerne) mit Photonen kollidieren wurden ebenfalls beobachtet.

Interessanterweise können die energiereichsten Teilchen kosmischer Strahlung mit mehr als 10 EeV („Ultra High Energy Cosmic Rays“, UHECR) keine langen Strecken von mehreren zehn Millionen Lichtjahren zurücklegen, da sie mit den Photonen kollidieren aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und erzeugen die Ultrahochenergie-Neutrinos (UHE), nach denen ANITA sucht. Die UHE-Neutrinos bewegen sich weiterhin in einer geraden Linie und zeigen, woher die UHECR-Partikel kommen. Diese werden beispielsweise in den Jets aktiver Galaxien erzeugt, die natürliche Beschleuniger mit einer Lichtjahresdimension bilden.