zwischen Astrophysik und menschlichem Abenteuer

Warum dieses Buch jetzt schreiben?

In den letzten Jahren hat das Gebiet der Astrophysik eine große Revolution erlebt, die „Multimessenger“-Beobachtung. Die Idee ist, dass wir uns nicht auf Licht – das elektromagnetische Spektrum – beschränken sollten, um zu untersuchen, was im Universum geschieht. Wir können auch Gravitationswellen und kosmische Teilchen nutzen, die aus Atomkernen und Neutrinos bestehen. Eines der ersten Beispiele für diesen Ansatz ist die Supernova von 1987 (SN 1987A), deren Explosion im Licht, aber auch in Neutrinos verfolgt wurde. Mehrere Experimente auf der ganzen Welt haben etwa zwanzig dieser mit diesem Ereignis verbundenen Partikel gesammelt.

Aber das Ereignis, das wirklich zeigte, dass der Multi-Messenger-Ansatz unerlässlich ist, wenn wir bestimmte Rätsel des Universums lösen wollen, war die 2017 beobachtete Verschmelzung zweier Neutronensterne mit dem Namen GW170817. Diese Verschmelzung erzeugte Gravitationswellen, die vom Netzwerk riesiger Interferometer erfasst wurden Ligo et Jungfrau. Und anders als bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher strahlte es auch viel Licht aus, und zwar im gesamten Spektralbereich, der von zahlreichen Observatorien auf der Erde und im Weltraum untersucht wurde. Die Kombination von Informationen aus Gravitationswellen und elektromagnetischen Emissionen hat es uns ermöglicht, besser zu verstehen, was bei einem so heftigen Ereignis wie der Verschmelzung zweier kompakter Körper wie Neutronensternen passiert.

Hat diese Gewalt den Titel Ihres Buches inspiriert?

Ja, im Universum gibt es zahlreiche Phänomene, die man als „gewalttätig“ bezeichnen kann, weil die beteiligten Energiemengen gigantisch sind. Wir sehen, wie Sterne verschmelzen, andere in Supernovae explodieren, schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, die große Mengen an Materie ansammeln und Strahlen aus Licht und Teilchen erzeugen, die sich über Millionen von Jahren erstrecken – Licht, Teilchen, die die Erdatmosphäre bombardieren usw.

Aber es ist nichts Beängstigendes daran. Wie ich in den einzelnen Kapiteln meines Buches erzähle, haben wir einen privilegierten Ort, um Zeuge dieses Schauspiels von Sternen zu werden, die pulsieren, explodieren, springen, funkeln usw. Dank des Multi-Messenger-Ansatzes können wir auf eine bestimmte Weise und mit einem kleine Poesie, die fast alle unsere Sinne anspricht, um die Vielfalt dieser fröhlichen Sterne zu schätzen: Sehen mit Licht, Hören mit Wellen der Gravitationskräfte, Fühlen mit kosmischen Strahlen und Schmecken mit Neutrinos.

Neutrinos sind der rote Faden zwischen Ihrem Buch und dem Projekt Großartig. Worum geht es?

Neutrinos sind ganz besondere Teilchen. Erstens gibt es sie in drei Geschmacksrichtungen, weshalb ich gerne über die Bedeutung von „Geschmack“ spreche. Aber sie interagieren nur sehr wenig mit Materie; Um sie zu erkennen, sind sehr große Experimente erforderlich, die über Jahre hinweg Daten sammeln. Einige interessieren sich für niederenergetische Neutrinos, die im Herzen der Sonne und in Kernreaktoren erzeugt werden. Andere, wie IceCubein der Antarktis, oder KM3Netim Mittelmeerraum beziehen sich ebenfalls auf sehr energiereiche Neutrinos, die aus astrophysikalischen Prozessen stammen.

Neutrinos sind für die Astrophysik interessant, weil sie im Gegensatz zu Atomkernen keine elektrische Ladung tragen. Sie werden daher nicht von den Magnetfeldern abgelenkt, die die intergalaktische und galaktische Umgebung durchdringen. Im Fall von Atomkernen haben diese „kosmischen Strahlen“ recht komplexe Flugbahnen, die es unmöglich machen, die Quelle dieser Teilchen zurückzuverfolgen. Neutrinos ignorieren diese Magnetfelder und bewegen sich geradlinig. Es ist möglich, ihre Herkunft zu bestimmen. Im Jahr 2023 wird das TeamIceCube sammelten mehrere tausend Neutrinos, von denen sie zeigten, dass sie aus der Milchstraße stammten, und zeichneten so eine einzigartige Karte der galaktischen Ebene.

Erfahrungen wie IceCube Allerdings kann er keine ultrahochenergetischen Neutrinos (mehr als 10) sehen¹⁷ Elektronenvolt). Wir wissen jedoch, dass diese Neutrinos existieren, weil sie entstehen, wenn ultrahochenergetische kosmische Strahlung mit Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund interagiert. Diese ultrahochenergetische kosmische Strahlung wird beispielsweise experimentell nachgewiesen und untersucht Pierre Augerin Argentinien.

Aber ein noch größeres Experiment, das ultrahochenergetischen Neutrinos gewidmet ist, fehlt. Die Idee von Großartig ist folgendes. Einige „Tau“-Neutrinos interagieren mit einem Atom, während sie die Erde passieren. Anschließend erzeugen sie ein Tau-Teilchen, einen Verwandten des Elektrons, schwerer und instabiler, das schnell in eine Teilchenkaskade zerfällt. Diese interagieren mit dem Erdmagnetfeld und senden elektromagnetische Strahlung im Radiofrequenzbereich aus. Dieses Signal wollen wir mit Antennen sammeln, die über eine Fläche von mehreren Zehntausend Quadratkilometern verteilt sind. Mit diesen Daten ist es möglich, die Eigenschaften (Energie und Richtung) des ursprünglichen Neutrinos zu bestimmen.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass wir in der Lage sein müssen, dieses Funksignal von allen Emissionen im Zusammenhang mit menschlichen Aktivitäten zu unterscheiden. Viele Physiker waren hinsichtlich unserer Erfolgsaussichten zurückhaltend.

Wo ist das Projekt?

Derzeit haben wir einen Prototyp mit 49 Antennen in der Wüste Gobi in China im Einsatz. Die Ergebnisse sind sehr ermutigend, wir isolieren Streusignale sehr gut: Wir können beispielsweise den Flug eines Flugzeugs am Himmel über dem Standort verfolgen! Diese Daten werden für die Verfeinerung der Konfiguration des Experiments in seiner endgültigen Version wertvoll sein. Wir diskutieren auch mit amerikanischen und argentinischen Kollegen über den Einsatz von Antennenarrays, die unterschiedliche Techniken nutzen und die Empfindlichkeit des Experiments verbessern werden. Wenn alles gut geht – die Covid-19-Epidemie führte zu einer Verzögerung des Projekts um vier Jahre –, Großartig dürfte um 2030 seine ersten astrophysikalischen Neutrinos sehen.

Eine Besonderheit Ihres Buches ist sein sehr persönlicher Ton, warum diese Wahl?

Als ich anfing, dieses Buch zu schreiben, war es meine ursprüngliche Absicht, das menschliche Abenteuer der Forschung zu erzählen. Hinter den Entdeckungen, den Theorien, den Erfahrungen stehen Menschen, die sich treffen, um zu diskutieren, sich auszutauschen, die Freundschaften schließen, die sich gegenseitig inspirieren. Das macht für mich die Welt der Forschung so spannend. Natürlich gibt es die Wissenschaft, die uns motiviert, jeden Morgen aufzustehen. Wir alle arbeiten daran, die Welt um uns herum besser zu verstehen, aber das wäre ohne den Aufbau dieser Gemeinschaft von Menschen unmöglich.

Ich habe dieses Abenteuer erzählt, indem ich es mit meiner eigenen Erfahrung gefüttert habe. Ich wollte zeigen, dass die Wissenschaft, weit entfernt von den Klischees, die wir in Filmen sehen können, durch Diskussionen voranschreitet, die völlig unabhängig von unserer Forschungsarbeit sind, von verschütteten Tassen Kaffee, von der Balance, die wir zwischen diesem Beruf finden, der eine erhebliche Investition erfordert und Privatleben.

Welche dieser Treffen waren die wichtigsten in Ihrer Karriere?

Es gibt viele, aber einige haben eine entscheidende Rolle gespielt. Dabei denke ich besonders an Angela Olinto, die ich 2009 während meines Postdoc-Aufenthalts in Chicago kennengelernt habe. Sie war die erste Professorin im Fachbereich Physik der University of Chicago. Sie hat mich sehr darin inspiriert, wie man Wissenschaft betreibt, aber auch wie man menschliche Qualitäten kultiviert, um ein Team zu leiten, mit internationalen Kooperationen zusammenzuarbeiten und seinen Platz als Frau im Forschungsumfeld zu verteidigen.

James Cronin, der für seine Entdeckung der Verletzung bestimmter Symmetrien beim Zerfall von Teilchen den Nobelpreis für Physik erhielt, ist ebenfalls eine wichtige Persönlichkeit in meiner Karriere. Er hat mich sehr unterstützt, insbesondere beim Start des Projekts Großartig.

Heute befinde ich mich in der Situation, dass mich junge Forscher um Rat fragen. Dieser Rollentausch im Übertragungszyklus ist verwirrend, beruhigend und sehr lohnend. Darüber hinaus sind Studierende und Doktoranden im Hinblick auf Treffen eine unglaubliche Bereicherung, sie bringen viel Energie in meine Arbeit und in das Projekt. Großartig.

Und schließlich muss ich natürlich Olivier Martineau erwähnen, meinen Kollegen und Komplizen bei dem Projekt Großartig. Am Anfang waren wir zu zweit und jetzt sind es hunderte von uns, die an diesem Erlebnis teilnehmen. Ohne unsere große Komplementarität wäre dies wahrscheinlich nicht möglich gewesen.

Am Ende eines Kapitels über Schwarze Löcher in Ihrem Buch haben Sie eine unerwartete Begegnung. Wer ist das?

Ja, während ich das Buch schrieb, habe ich viel über Karl Schwarzschild dokumentiert, der 1916 als erster eine exakte Lösung für Albert Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie fand. Es war eine Gelegenheit für mich, meine Master-Kurse herauszubringen, aber ich vertiefte mich auch in seine Notizbücher. Der freudige Geist dieser Figur hat mich wirklich berührt. Während er in den Schützengräben an der Ostfront unter entsetzlichen Bedingungen war, beschäftigte er sich weiterhin mit Physik als mentaler Flucht. Er setzte den Briefwechsel mit Albert Einstein und anderen wissenschaftlichen Freunden fort. Es waren diese Bindungen, die es ihm ermöglichten, nicht der Dunkelheit des Krieges zu erliegen (er starb jedoch 1916 an einer Autoimmunerkrankung). Wir kommen immer auf das Gleiche zurück: Wissenschaft ist vor allem ein menschliches Abenteuer.