Der Mondschatten im Licht der kosmischen Strahlung

30. Mai 2013 von Jan Hattenbach in Sonnensystem

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


5 Kommentare zu “Der Mondschatten im Licht der kosmischen Strahlung”

  1. Frank Wappler Antworten | Permalink

    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. usr Antworten | Permalink

    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. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    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. usr Antworten | Permalink

    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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