Ein Schwerpunkt ist die Multi-Messenger-Astronomie

(Frage: Benedikt Vogel) Teresa Montaruli, es ist allgemein bekannt, dass das Universum vor 13.8 Milliarden Jahren durch einen “Urknall” entstanden ist. Aber es gibt Forscher, die diese Theorie in der aktuellen Form bezweifeln. Sie favorisieren die "Big Bounce"-Theorie, wonach früher ein anderes Universum existiert hat, das geschrumpft ist, bevor unser gegenwärtiges Universum daraus hervorgegangen ist. Gibt es tatsächlich wissenschaftliche Zweifel an der Urknall-Theorie?

(Antwort: Prof. Montaruli) Nein, das glaube ich nicht. Dieses kosmologische Modell wird im Moment experimentell mit einer extrem guten Genauigkeit bestätigt. Die Urknall-Theorie ist so zuverlässig wie das Standardmodell der Teilchenphysik. Die einzige grosse Unsicherheit bezieht sich auf die frühe Periode kurz nach dem Urknall, die wir als Inflation bezeichnen. Wir wissen auch, dass die grösste Menge Materie aus einer nicht leuchtenden Dunklen Materie besteht, die sich von der Materie unterscheidet, aus der wir bestehen. Diese Dunkle Materie macht etwa 27% des Universums aus, ist aber immer noch von unbekannter Natur, genauso wie die sogenannte Dunkle Energie, die 70% der Masse-Energie des Universums ausmacht. Das kosmologische Modell ist bekannt, aber es gibt immer noch grosse Rätsel zu lösen...

(Frage) Die Astrophysik hat in jüngerer Zeit grosse Fortschritte gemacht. Am 9. Januar wird in Brüssel die APPEC-Roadmap 2017-2026 lanciert. Was ist die APPEC-Roadmap?

(Antwort) APPEC steht für “Astroparticle Physics European Consortium” und ist ein Konsortium von Vertretern von Subventionsgebern aus etwa 20 europäischen Ländern. Die Schweiz ist dort vertreten durch den Schweizerischen Nationalfonds, die massgebliche Schweizer Einrichtung zur Förderung der Grundlagenforschung, und durch mich als Professorin für Astroteilchenphysik. Die APPEC versucht eine Perspektive für die Zukunft der Astroteilchenphysik zu entwickeln und zu definieren, welche Infrastrukturprojekte die Geldgeber unterstützen sollten. Wie Sie wissen, muss Wissenschaft heute global handeln, weil die Infrastrukturen, die wir für die Wissenschaft brauchen, immer grösser werden.

(Frage) Die APPEC-Roadmap bezieht sich auf die Astroteilchenphysik – es geht also weder um Astronomie noch um Teilchenphysik?

(Antwort) Die Astroteilchenphysiker sind eine Forschergemeinschaft zwischen den beiden grossen Disziplinen, die Sie erwähnt haben. Astroteilchenphysiker stützen ihre Arbeit auf Teilchen wie Neutrinos, Gammastrahlen, kosmische Strahlen oder die postulierten Teilchen der Dunklen Materie, um das Universum zu beobachten. Diese Teilchen sind das Kerngebiet der Astroteilchenphysik, weil sie die Boten sind, die uns aus dem Universum erreichen und die uns ermöglichen zu rekonstruieren, was im fernen Universum geschieht.

Während Licht - und Radioastronomen die thermischen und atomaren Emissionen von Sternen und Gasen beobachten, sind wir als Astroteilchenphysiker mehr an der Beschleunigung der Teilchen in starken Magnetfeldern interessiert. Die stärksten Beschleuniger sind Schwarze Löcher oder Schocks, die von kataklysmischen (zerstörerischen) Objekten wie Supernovae hinterlassen werden. Wenn ein Schwarzes Loch ganze Sterne ‚auffrisst’, dann zerreissen diese und es entstehen Schockwellen noch ausserhalb des Event-Horizonts des Schwarzen Lochs. Dies kann als Ursache hochenergetischer Teilchen betrachtet werden. Die Teilchen können uns auf der Erde erreichen. Indem wir sie beobachten, wollen wir die Natur dieser mächtigen Phänomene des Universums verstehen. Die Situation in einem Schwarzen Loch ähnelt in gewisser Weise dem Teilchenbeschleuniger LHC am CERN, dem grössten Beschleuniger der aktuellen Teilchenphysik. Die extrem hohen Energien in beiden Beschleunigern erlauben uns, die ursprünglichen Zustände der Materie im Universum zu verstehen.

(Frage) Was sind die Hauptziele der neuen APPEC-Strategie 2017-2026?

(Antwort) Ein erster Schwerpunkt ist die Multi-Messenger-Astronomie. In diesen Tagen erleben wir die Geburt einer neuen Astronomie, die neue Arten von Beobachtungswerkzeugen verwendet, die sich von herkömmlichen Teleskopen mit optischen Spiegeln unterscheiden. Ein Beispiel für diese neuen Beobachtungsinstrumente ist der IceCube-Detektor am Südpol, der aus mehr als 5000 optischen Sensoren besteht, die sich in einem riesigen Würfel aus Eis 2,5 km unter der Oberfläche befinden. IceCube kann Neutrinos erkennen. Ein weiteres Beispiel ist das zukünftige Cherenkov Telescope Array (CTA), das die Rekonstruktion kosmischer Gammastrahlungs-Quellen mit einer nie zuvor gesehenen Genauigkeit in diesem Energiebereich ermöglicht. Ein drittes Beispiel sind die Detektoren LIGO in den USA und Virgo in Cascina in der Nähe von Pisa. Diese Interferometer empfangen Gravitationswellen, die beispielsweise bei der Koaleszenz (Zusammenprall) zweier Schwarzer Löcher oder Neutronensterne emittiert werden.

Neutrinos, Gammastrahlen und Gravitationswellen sind verschiedene Boten des Universums. Die APPEC-Roadmap erklärt die Zusammenarbeit zwischen den Forschercommunitys, die sich mit den jeweiligen Boten befassen, zu einer Priorität. Die Kooperation zwischen diesen Gemeinschaften ist eine grosse Chance, denn sie bietet die einzigartige Möglichkeit, kosmische Quellen mit verschiedenen – sagen wir mal – "Brillen" zu sehen. Wir können die Informationen der verschiedenen Boten für ein und dasselbe Ereignis zusammenfügen. Dies wird zu einem völlig neuen Verständnis von Himmelskörpern und kosmischen Ereignissen führen.

(Frage) Sie haben das CTA für die Gammastrahlenerkennung erwähnt. Gibt es andere grosse Infrastrukturprojekte, die den Ansatz der Multi-Messenger-Astronomie unterstützen?

(Antwort) Neben dem CTA für die Gammastrahlungs-Detektion priorisiert die APPEC-Strategie das sogenannte Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT), das IceCube-Pendant im Mittelmeer. Eine weitere Priorität ist auch die zukünftige Erweiterung des IceCube-Experiments am Südpol. Eine wichtige Herausforderung ist ferner das zukünftige Gravitationswellen-Experiment, das Einstein-Teleskop, das in Europa gebaut werden soll. Über den Standort muss hier noch entschieden werden.

(Frage) Wo liegen weitere Prioritäten der APPEC-Strategie?

(Antwort) Eine von ihnen ist Dunkle Materie. Die Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie hat eine grosse Zukunft. Wir haben in der Schweiz schon verschiedene Anstrengungen zur Erforschung der Dunklen Materie unternommen, beispielsweise mit speziellen Detektoren, die mit flüssigem Xenon oder auch flüssigem Argon betrieben werden. Eine Schweizer Forschergruppe beteiligt sich am sehr erfolgreichen XENON-Experiment und engagiert sich um das Nachfolge-Experiment mit dem Namen DARWIN. Die APPEC-Roadmap ermuntert die verantwortlichen Physiker, ihre Detektoren in noch grösserer Ausführung zu realisieren.

Darüber hinaus fördert APPEC die Neutrinoforschung: Wir ermutigen die Forschercommunity um die Doppel-Beta-Zerfallsexperimente, einen grösseren Detektor zu entwickeln, der helfen soll, die Natur des Neutrinoteilchens zu verstehen. Neben all dem unterstützt APPEC mit hoher Priorität die Beteiligung Europas am geplanten Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) in den USA, sowie HyperKamiokande in Japan.

(Frage) Wie berührt die APPEC-Strategie die Schweizer Astroteilchenphysik?

(antwort) Ich habe bereits die starke Schweizer Verbindung zu Xenon/Darwin erwähnt. Für die Schweiz ist es zudem sehr wichtig, dass das CTA rechtzeitig gebaut wird. CTA ist das ultimative Gammastrahlungs-Observatorium. Zudem halte ich es für sehr wichtig, dass die Schweiz in den USA und/oder in Japan das zukünftige Long-Baseline-Neutrino-Experiment unterstützt. Ich hoffe auch, dass in der Schweiz die experimentellen Aktivitäten rund um Gravitationswellen verstärkt werden. Gegenwärtig beteiligt sich eine Gruppe an der Universitat Zürich an LIGO und dem Weltraumexperiment LISA.

(Frage) Die Astroteilchenphysik hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten schnell entwickelt. Seit 2001 wurden vier Nobelpreise an Forscher aus der Astroteilchenphysik vergeben. Was ist der Grund für diesen Erfolg?

(Antwort) Ich denke, der Grund ist der Zufall überraschender Entdeckungen, wie er für eine Beobachtungswissenschaft charakteristisch ist, die in den Himmel blickt. Denn wir produzieren nicht nur Dinge im Labor, sondern wir können etwas planen und vorhersagen. Darüber hinaus ist das Verständnis des Kosmos extrem wichtig; das kann nicht nur im Labor passieren. Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Nehmen wir an, dass der CERN-Teilchenbeschleuniger LHC eines Tages Teilchen der Dunklen Materie produzieren wird. Obwohl deren Eigenschaften dank der hohen Luminosität des LHC voraussichtlich sehr gut charakterisiert werden können, werden wir nicht sicher sein, dass diese Teilchen wirklich Dunkle Materie sind. Dunkle Materie ist nämlich per Definitionem etwas, das zum Universum gehört. Sie müssen es also im Universum lokalisieren und nicht nur im CERN-Labor nachweisen. Hier kommt die Astroteilchenphysik ergänzend zum Tragen, und ich denke, das CERN ist sich bewusst, dass seine Öffnung in Richtung Astroteilchen für die Zukunft der wissenschaftlichen Aktivitäten von grosser Bedeutung ist.

(Frage) Erwarten Sie in den nächsten zehn Jahren überragende Neuigkeiten aus der Astroteilchenphysik?

(Antwort) Ich erwarte eine äusserst interessante Menge an Nachrichten aus dem Multi-Messenger-Programm, weil wir früher oder später 'zerstörerische' Ereignisse im Universum entdecken werden, die Boten wie Gravitationswellen, aber auch Neutrinos und Gammastrahlen hervorbringen. Mit diesen Informationen werden wir die Eigenschaften der kosmischen Orte herausfinden, in denen Materie auf die extremsten Energien beschleunigt wird. Viele dieser Objekte wurden tatsächlich am Anfang des Universums produziert, so wie die kürzlich von LIGO entdeckten Schwarzen Löcher mit der ungewöhnlich grossen Masse von bis zu 40 Sonnenmassen.

(Frage) Zurück zur ersten Frage: Sie erwarten also nicht, dass die Urknalltheorie in den nächsten zehn Jahren scheitern wird oder modifiziert werden muss?

(Antwort) Nein, es gibt kein Anzeichen für ein Versagen dieser Theorie, obwohl das Verstehen von Dunkler Materie so anspruchsvoll ist, dass es nicht allein im Labor gelingen wird.

Autor: Benedikt Vogel