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Über dieses Buch

Claus Grupen erörtert in diesem essential in einem kurzen historischen Abriss die Astroteilchenphysik und beschreibt die neuesten Resultate, ohne ins mathematische Detail zu gehen. Als Einstieg in dieses neue Forschungsgebiet verstanden, gibt er einen Überblick darüber, was sich am Himmel, zwischen den Sternen und zwischen den Galaxien abspielt. Es ist inzwischen schon vieles recht gut verstanden, aber mit jeder gefundenen Lösung tun sich auch neue Fragen auf – auf dieses Fragenspektrum mit einigen Antworten geht der Autor ebenfalls ein. Heute ist die Astroteilchenphysik ein aktives, interdisziplinäres Forschungsgebiet, das Astronomie, kosmische Strahlung und Elementarteilchenphysik umfasst und vereinigt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Historische Einführung in die Astroteilchenphysik

Die Geburtsstunde der Astroteilchenphysik war die Entdeckung der kosmischen Strahlung bei der historischen Ballonfahrt von Victor Hess im Jahr 1912. In der Frühzeit der Kosmischen Strahlung – der Name Astroteilchenphysik war noch nicht geläufig – wurden viele Entdeckungen von Elementarteilchen gemacht. Positronen, Myonen und Pionen waren die ersten neuen Elementarteilchen. Mit dem Aufkommen der Beschleuniger verlagerte sich aber das Feld der Elementarteilchen zu den erdgebundenen Beschleunigern. Erst in den 1970er-Jahren wurden die kosmischen Beschleuniger wieder interessant: Die Messung der solaren Neutrinos, die Entdeckung der Supernova 1987A mit der Messung von Neutrinos aus dieser Quelle und die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen führte zu einer Renaissance der kosmischen Strahlung. Die Entdeckung der Gravitationswellen und die Messung von extragalaktischen Neutrinos in den letzten Jahren waren weitere Höhepunkte der Astroteilchenphysik.
Claus Grupen

Kapitel 2. Geladene Komponente der primären kosmischen Strahlung

Eine detaillierte Messung der primären kosmischen Strahlung, also der Strahlung, die aus der Milchstraße und eventuell extragalaktischen Entfernungen an der Erde ankommt, kann nur mit Detektoren außerhalb der Atmosphäre der Erde, also in Höhen von mehr als 40 km oder in Satelliten erfolgen. Alle Kerne, die während der Synthese der leichten Elemente kurz nach dem Urknall entstanden sind, oder auch die schwereren Kerne, die in Supernovaexplosionen erzeugt wurden, sind in der primären kosmischen Strahlung vertreten. Es dominieren aber Protonen und Heliumkerne mit einer kleinen Beimischung von schweren Kernen bis hinauf zum Uran. Daneben sind alle Leptonen (z. B. Elektronen und Neutrinos) und Gammastrahlen bis in den PeV-Bereich vertreten. Antiteilchen in der primären kosmischen Strahlung sind aber selten.
Claus Grupen

Kapitel 3. Röntgenastronomie

Kosmische Röntgenstrahlung wird in der Atmosphäre der Erde komplett absorbiert. Erst Ballonmessungen und Satellitenexperimente konnten Röntgenstrahlung von der Sonne und zunächst nur von nahen Sternen nachweisen. Mittlerweile haben empfindliche Röntgen-Halbleiterdetektoren eine Vielzahl galaktischer und extragalaktischer Röntgenquellen entdeckt. Die Entwicklung dieser neuartigen Röntgendetektoren haben nebenbei zu wichtigen Fortschritten in der Materialforschung und hauptsächlich bei den Abbildungsverfahren in der Medizin geführt.
Claus Grupen

Kapitel 4. Gammaastronomie

Kosmische Gammastrahlung öffnet ein Fenster in die höchstenergetischen Prozesse im Universum. Neben den erstaunlichen Gammaemissionen von aktiven galaktischen Kernen gibt es auch überraschende Entdeckungen von einmaligen kurzen Ausbrüchen von \(\gamma \)-Strahlung, den Gamma-Ray Bursts, deren Mechanismus immer noch nicht vollständig verstanden ist. Gemeinsame Beobachtungen katastrophaler kosmischer Ereignisse in verschiedenen Bereichen elektromagnetischer Strahlung und auch in Gravitationswellen erlauben es, die Kollisionen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern im Detail zu studieren. Eine interessante, bisher unbeantwortete Frage ist, ob kosmische Beschleuniger \(\gamma \)-Strahlung aus den Zerfällen neutraler Pionen erzeugen, d. h. ob es hadronische Beschleuniger im Kosmos gibt.
Claus Grupen

Kapitel 5. Neutrinoastronomie

Die häufigsten Vertreter kosmischer Teilchen sind Neutrinos. Durch jeden Punkt am Ende dieses Satzes treten zigmillionen Neutrinos pro Sekunde. Die meisten Neutrinos kommen von unserer Sonne, die als Fusionsreaktor diese großen Flüsse erzeugt. Alle Sterne sind starke Quellen von Neutrinos. Mit Neutrinos kann man direkt in die galaktischen Quellen hineinsehen, was mit elektromagnetischer Strahlung nicht möglich ist. Dieser Vorteil bringt aber das Problem mit sich, Neutrinos auf der Erde nachzuweisen. Es sind riesige Detektoren im Meer oder im antarktischen Eis notwendig, um galaktische Neutrinoflüsse zu messen. Vom Standpunkt der Elementarteilchenphysik erlaubt das Studium dieser enigmatischen Teilchen einen Blick auf Erweiterungen des Standardmodells.
Claus Grupen

Kapitel 6. Gravitationswellen

Die Entdeckung der von Einstein vor hundert Jahren postulierten Gravitationswellen im Jahre 2012 war eine Sensation. Zum ersten Mal konnte man das Erschüttern der Raumzeit im Detail vermessen, das durch kosmische Katastrophen ausgelöst wurde. Indirekte Hinweise auf die Korrektheit der Einsteinschen Vorhersage hatte man schon aus dem Verhalten von Paaren von Neutronensternen erhalten. Aber einen direkten Nachweis der Schwingungen der Raumzeit zu erhalten, war eine technologische Meisterleistung.
Claus Grupen

Kapitel 7. Kosmologie

Die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins, die Entdeckung Hubbles über das expandierende Universum und die Einführung der von Einstein ungeliebten kosmologischen Konstanten erlaubt eine konsistente Beschreibung im Rahmen des klassischen Urknallmodells unter Einschluss der Annahme einer exponentiellen Expansion (Inflation) im sehr frühen Universum. Viele Probleme des alten Urknallmodells lassen sich mit Hilfe der Inflation lösen. Das heißt aber noch lange nicht, dass wir ein vollständiges Bild der Kosmologie und Kosmogonie haben. Es gibt zwar Ansätze, die Existenz der Dunklen Materie zu verstehen, aber die Dominanz der Dunklen Energie im Universum ist uns immer noch ein Rätsel.
Claus Grupen

Kapitel 8. Astrobiologie

Es gibt viele Spekulationen über extraterrestrisches Leben. Da in Kometen und Meteoriten Kohlenwasserstoffverbindungen gefunden wurden, wird es für wahrscheinlich gehalten, dass es Lebensformen gibt, die unter Weltraumbedingungen existieren und lange überleben können. Wenn diese Lebensformen Planeten besiedeln und günstige chemische Bedingungen vorfinden, ist die Evolution zu höherem Leben möglich. Es müssen allerdings viele astrophysikalische Randbedingungen für eine solche Evolution erfüllt sein. Wenn man aber bedenkt, dass es etwa 1022 Sterne in unserem Universum gibt und praktisch jeder Stern Planeten hat, dann reicht schon eine sehr kleine Wahrscheinlichkeit aus, um millionenfaches Leben entstehen zu lassen.
Claus Grupen

Kapitel 9. Ausblick

In den letzten Jahren sind schon viele neue Erkenntnisse aus der Astroteilchenphysik hinzugekommen. Multi-Messenger-Experimente im Weltraum haben zu einem besseren Verständnis vieler Phänomene beigetragen. Aber es gibt noch genügend Probleme: Was verbirgt sich hinter der Dunklen Materie und der Dunklen Energie? Wo ist die im Urknall gleichermaßen erzeugte Antimaterie geblieben? Wo kommen die höchstenergetischen Teilchen her? Die Quantenmechanik und die Allgemeine Relativitätstheorie sind in ihren Anwendungsbereichen glänzend bestätigt, aber diese grandiosen Theorien lassen sich nicht im Rahmen einer einheitlichen Beschreibung darstellen. Wie lässt sich also die Quantenmechanik und die Allgemeine Relativitätstheorie zu einer allumfassenden Quantengravitation vereinigen?
Claus Grupen

Backmatter

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