LOPES – Radioblitze kosmischer Strahlungsteilchen

Zu Beginn des Jahres 2004 gelang es weltweit zum ersten Mal, Radiosignale von Teilchen der kosmischen Strahlung zweifelsfrei Luftschauern zuzuordnen. Möglich wurde dies mit einem Feld aus digitalen Dipolantennen, genannt LOPES. Diese Methode könnte in großen Schaueranlagen wie dem Pierre-Auger-Observatorium zum Einsatz gelangen.

Radioblitze kosmischer Strahlungsteilchen

Atomkerne der kosmischen Strahlung lösen beim Zusammenstoß mit der Erdatmosphäre große Schauer von Sekundärpartikeln aus, die in der Luft eine Leuchtspur erzeugen und als Teilchenteppich auf die Erdoberfläche vordringen. Detektorfelder wie das Pierre-Auger-Observatorium oder das kleinere KASCADE-Grande messen diese Ereignisse. Die Teilchenschauer emittieren in der Atmosphäre allerdings auch Strahlung im Radiobereich. Diese kurzen, sehr intensiven Radioblitze stellen dabei für wenige Nanosekunden die hellsten Radioquellen am Himmel dar. Sie konnten im Rahmen des LOPES-Experimentes durch Vergleich mit KASCADE-Grande-Messungen erstmals zweifelsfrei einzelnen Teilchen der hochenergetischen kosmischen Strahlung zugewiesen werden. Das ist ein Meilenstein bei der Entwicklung neuer Techniken zur Messung dieser Partikel aus dem Weltraum.

Die aus dem Universum einfallenden Atomkerne der kosmischen Strahlung lösen durch Zusammenstoß mit den Bestandteilen der Atmosphäre eine Lawine an neuen Partikeln aus. Diese erzeugt in der Hochatmosphäre eine Leuchtspur und kommt auf der Erdoberfläche als starker Schauer an. Seit vierzig Jahren ist bekannt, dass zudem während der Luftschauererzeugung in der Atmosphäre durch die Wechselwirkung der Teilchen mit dem Erdmagnetfeld auch Strahlung im Radiofrequenzbereich emittiert wird. Bei diesem Vorgang werden positive und negative Sekundärteilchen des Luftschauers voneinander getrennt, was zur Emission von Synchrotronstrahlung führt. Sie liegt bei den typischen Energien dieser Sekundärteilchen im Radiofrequenzbereich und ist in Flugrichtung gebündelt. Physiker sprechen vom Geosynchrotron-Effekt. Dieses nur wenige Nanosekunden dauernde Phänomen konnte erst jetzt mit Hilfe eines modernen digitalen Radio-Interferometers vom allgegenwärtigen Untergrund an Radiostrahlung getrennt werden.

LOPES gemeinsam mit KASCADE-Grande

Mit LOPES rekonstruierte Radiokarte

Das hierfür verwendete LOPES dient als Pilotprojekt für das zukünftig größte Radio-Array der Erde, genannt LOFAR (Low-Frequency Array). Es soll aus insgesamt hundert über Holland und Deutschland verteilte Antennenfeldern bestehen und Ende 2007 in Betrieb gehen. LOPES (LOFAR PrototypE Station) ist ein Array aus dreißig Radioantennen. Diese bilden einen breitbandigen Empfänger, der eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen gleichzeitig aufnehmen kann und die Signale in eine digitale Elektronik einspeist. Anders als bisherige Radioteleskope, die auf kleine Himmelsfelder ausgerichtet werden, haben die Antennen von LOPES den gesamten Himmel im Blickfeld. Die Daten werden digital gespeichert und können im nachhinein für jede Himmelsrichtung und zu jedem beliebigen Zeitintervall ausgelesen werden. Die LOPES-Antennen sind im KASCADE-Grande-Feld installiert und registrieren korreliert mit den Detektorstationen Daten im Frequenzbereich von vierzig bis achtzig Megahertz (entsprechend Wellenlängen etwa zwischen vier und acht Metern). Für die Suche nach der Radioemission der kosmischen Strahlung werden die Schauerereignisse von KASCADE-Grande analysiert und darin die Zeitpunkte von Teilchenschauern bestimmt. Dann werden die Radiodaten von LOPES in einem 0,8 Millisekunden langen Zeitfenster um diese Ereignisse herum ausgewertet. Hierfür befreit man die Daten mit digitalen Filtern von Rauschsignalen und sucht mit Hilfe von digitaler Interferometrie das Schauersignal.

Erste wissenschaftliche Erfolge

Korrelation von LOPES und KASCADE-GRANDE

Auf diese Weise gelang es mit LOPES zum ersten Mal, zweifelsfrei Radiosignale aus der Schauerentwicklung nachzuweisen. Besonders vielversprechend für zukünftige Anwendungen war die Erkenntnis, dass es eine starke Korrelation zwischen der gemessenen Radiosignalstärke mit der von KASCADE-Grande gemessenen Myonenzahl des Schauers gibt. Letztere ist ein gutes Maß für die Energie des kosmischen Teilchens. Außerdem wurde eine Korrelation mit dem Winkel zwischen ankommendem Luftschauer und der Richtung des Erdmagnetfeldes gefunden.
Diese Ergebnisse sind im guten Einklang mit dem theoretischen Bild des Geosynchrotron-Effektes als Erzeugungsmechanismus der Radioblitze in der Atmosphäre. Mit den aus KASCADE-Grande bekannten Schauerobservablen ist es nun möglich, die Radioemission in Schauern zu kalibrieren. Das ebnet den Weg zu einer großflächigen Nutzung und Anwendung dieser Messtechnik für die höchstenergetischen Teilchen.

Ausblick

LOPES-Radioantennen zwischen KASCADE-Grande

Inzwischen wurde das LOPES-Antennenfeld von zehn auf dreißig Antennen erweitert, um nun mit großer Statistik vor allen Dingen bei höheren Energien das Radiosignal im Detail auch auf Einzelschauerund Einzelantennenbasis zu studieren. Besonderer Wert wird hier auf eine absolute Eichung der Antennen gelegt, um das gemessene Signal einer Feldstärke in der Atmosphäre zuordnen zu können. Das ist unabdingbar für einen direkten Vergleich mit theoretischen Berechnungen des Emissionsmechanismus. Darüber hinaus werden neuartige Antennen bei LOPES getestet, die für eine Verwendung im Pierre-Auger-Observatorium optimiert sind. Dies betrifft insbesondere die Möglichkeit eines „Self-Triggerings“ der Antennen, also einer Signalsuche ohne externen Auslöser durch das Schauerarray.

LOPES soll sich als neue Messtechnik etablieren, die Emissionsmechanismen in der Atmosphäre theoretisch verstehen und den Weg zu einer verbesserten Messung der höchstenergetischen kosmischen Strahlung ebnen. Dies könnte helfen, eines der großen Rätsel unseres Universums zu entschlüsseln.