Blick in die "Seele" der Sonne - wissenschaft.de
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Astronomie+Physik

Blick in die „Seele“ der Sonne

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Blick in den Borexino-Detektor (Borexino Collaboration)
Was ist die Energiequelle der Sonne? Diese Frage erscheint fast trivial, lernt man doch schon in der Schule, dass die Kernfusion unserem Stern die Leuchtkraft verleiht. Doch den endgültigen Beweis, dass im Inneren der Sonne tatsächlich Wasserstoffkerne miteinander verschmelzen, blieben Astronomen bisher schuldig. Jetzt ist es Forschern jedoch erstmals gelungen, solare Neutrinos direkt nachzuweisen – die Elementarteilchen, die bei der Fusion zweier Protonen in der Sonne entstehen. Dies eröffnet einen ersten Blick darauf, was momentan im Inneren der Sonne vor sich geht.

Neutrinos sind extrem schwer einzufangen und nachzuweisen, denn sie durchdringen Materie nahezu ungehindert – und damit auch die meisten Messinstrumente. Nur sehr selten kommt es vor, dass ein Neutrino frontal mit einem Atomkern zusammenstößt, doch genau diese Kollision ist die einzige Chance, diese „Geisterteilchen“ nachzuweisen. Neutrino-Detektoren nutzen daher meist große Tanks mit speziellen Flüssigkeiten oder im Falle des IceCube-Detektors das Eis der Antarktis als Teilchen-„Falle“. Die bei den Kollisionen entstehenden winzigen Lichtblitze verraten dann, wenn ein Neutrino den Detektor passiert. Die Neutrinos können dabei aus dem Zerfall radioaktiver Materialien im Erdinneren, aus dem fernen Weltall und aus dem Inneren der Sonne kommen.

Modelle besagen, dass die Sonne pro Sekunde rund 60 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter aussendet. Doch trotz ihrer großen Zahl sind diese solaren Neutrinos besonders schwer „einzufangen“. Ein Grund: „Sie besitzen eine niedrige Energie, die genau in dem Bereich natürlicher Radioaktivität fällt“, erklärt Andrea Pocar von der University of Massachusetts in Amherst, einer der an dem Projekt beteiligten Physiker. Daher wird das Signal der Sonnenneutrinos normalerweise überdeckt. Ein weiterer Grund ist, dass die Neutrinos in drei Sorten vorkommen, die sich auf ihrem Flug durch das All jeweils ineinander umwandeln können. In der Sonne entstehen zwar nur sogenannte Elektron-Neutrinos, doch bis sie die Erde erreichen, haben sich viele von ihnen in Myon- oder Tau-Neutrinos umgewandelt. Die meisten Detektoren können jedoch nur einen Typ von Neutrinos nachweisen. Einzige Ausnahme: der Borexino-Detektor unter dem Gran Sasso-Massiv tief unter dem italienischen Apennin.

Lichtblitze im Detektortank

Mit ihm ist es den Forschern der Borexino-Kollaboration nun auch erstmals gelungen, die solaren Neutrinos direkt nachzuweisen. Zu Hilfe kam ihnen dabei zum einen die hohe Sensibilität des Borexino-Detektors. Er besteht aus einem kugelförmigen Tank mit 300 Tonnen einer speziellen Detektorflüssigkeit, die durch tausend Tonnen hochreines Wasser und mehrere weitere Hüllschichten gegenüber Störsignalen abgeschirmt ist. Mehr als 2.000 Photosensoren registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei Neutrino-Kollisionen in der Detektorflüssigkeit auftreten. Dennoch treten auch in diesem Detektor maskierende Signale auf, unter anderem durch den Zerfall radioaktiven C-14-Kohlenstoffs in der Detektorflüssigkeit. Durch eine spezielle Auswertesoftware ist es den Forschern jedoch gelungen, diese Störsignale herauszurechnen – und so die solaren Neutrinos erstmals direkt einzufangen.

Wie die Forscher berichten, entspricht die von ihnen gemessene Neutrinodichte rund 66 Milliarden Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Dies stimme sehr gut mit den Werten der theoretischen Modelle überein. „Mit diesen Neutrinodaten blicken wir direkt in den Ursprung des Prozesses, der den größten Anteil der Sonnenenergie erzeugt“, so Pocar. Und fast noch wichtiger: Zum ersten Mal lässt sich damit auch die aktuelle Fusionsaktivität der Sonne ermitteln. Denn die bei der Fusion im Sonneninneren abgegebene Strahlung benötigt nahezu hunderttausend Jahre, bis sie die turbulenten Schichten der Sonne passiert und ins All hinaus scheint. Das auf die Erde treffende Sonnenlicht zeigt daher nur, wie hoch die Energieproduktion der Sonne in der Vergangenheit war. Die Neutrinos aber passieren das Sonneninnere ungehindert und innerhalb von Sekunden. Sie liefern daher erstmals ein aktuelles Bild der Vorgänge, die heute im Inneren unseres Sterns ablaufen. „So wie die Augen ein Spiegel der Seele sind, eröffnen uns diese Neutrinos einen Blick in das Innenleben der Sonne – in ihre Seele“, sagt Pocar.

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Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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