Schwarze Löcher in der Atmosphäre

News: Schwarze Löcher in der Atmosphäre

Zusätzliche Dimensionen könnten einmal Grundlage einer "Weltformel" sein. Doch die Extra-Dimensionen zu finden, ist alles andere als einfach. Mit einem neuen Observatorium zur Beobachtung der kosmischen Strahlung könnte es gelingen. Dazu muss es nach winzigen Schwarzen Löchern in unserer Atmosphäre Ausschau halten.

Thorsten Krome

Detektortank — © Pierre Auger Observatory (Ausschnitt)

Die uns vertraute Welt breitet sich in drei Dimensionen aus – in vieren, wenn man die Zeit hinzuzählt. Doch Forschern, die auf der Suche nach einer allumfassenden Weltformel sind, reicht das lange nicht. Ihre Theorien erfordern bis zu sieben zusätzliche Dimensionen, die aber auf kleinstem Raum eingerollt und so unsichtbar sind. Deshalb konnte bislang niemand eine solche Extra-Dimension nachweisen. Doch das könnte sich bald ändern, wenn nämlich im Jahr 2004 mit dem Pierre Auger Observatory ein neues Beobachtungsinstrument für kosmische Strahlung zur Verfügung steht.

Im Rahmen dieses Projekts entstehen in der südlichen und nördlichen Hemisphäre zwei riesige Detektorfelder – jedes 3000 Quadratkilometer groß und mit 1600 Detektoren für Teilchen und atmosphärische Fluoreszenz bestückt. Damit wollen Forscher insbesondere die hochenergetische kosmische Strahlung untersuchen, die permanent unsere Erde bombardiert. Sie besteht aus Protonen, Neutrinos und anderen, exotischen Teilchen. Wenn diese Teilchen in der Atmosphäre auf ein Proton oder Neutron stoßen, so explodiert das Paar in einem Schauer von weiteren Teilchen, der sich über Kilometer hinziehen kann.

Bei noch viel größeren Energien können die Stoßpartner sogar kollabieren und ein winziges Schwarzes Loch erzeugen, das dann seinerseits in einem Prozess mit charakteristischen Zerfallsprodukten vergeht. Dazu müssen sich die zusammenprallenden Teilchen jedoch so nahe kommen, dass die Gravitationskraft im Vergleich zu den anderen Kräften stark wird. Ihre Entfernung liegt dann im Bereich der so genannten Planck-Länge – einer Grenze, unterhalb der vermutlich eine gänzlich andere Beschreibung der Gravitation gilt, als diejenige, die wir kennen.

Die Theorie sagt eine Planck-Länge von etwa
10^-35 Meter voraus. Um die Teilchen jedoch so sehr anzunähern, ist eine Energie erforderlich, die irdische Beschleuniger und sogar kosmische Strahlung bei weitem übertrifft. Entstehen in unserer Atmosphäre also doch keine winzigen Schwarzen Löcher?

Nun, es gibt einen Weg, der dies gestattet, und hierbei kommen nun die zusätzlichen Dimensionen ins Spiel: Denn sollten jene tatsächlich existieren und groß genug sein, dann wäre die Planck-Länge deutlich größer als 10^-35 Meter. Damit wären auch die Energien zur Erzeugung der winzigen Schwarzer Löcher kleiner. Die bizarren Gebilde könnten dann tatsächlich durch Kollisionen mit energiereicher kosmischer Strahlung entstehen.

"Diese Schwarzen Löcher gehören zu den spektakulärsten Vorhersagen und sind auch gleichzeitig der beste Nachweis für weitere Dimensionen", erklärt Jonathan Feng vom Massachusetts Institute of Technology. Der Forscher hatte zusammen mit seinem Kollegen Alfred Shapere die Wahrscheinlichkeit berechnet, mit der die Schwarzen Löcher durch kosmische Strahlung entstehen und sich nachweisen lassen. Und demnach wäre das Pierre Auger Observatory für diese Aufgabe geeignet.

Besonders die Neutrinos scheinen dabei vergleichsweise gut nachweisbare Schwarze Löcher zu produzieren. Diese schwach wechselwirkenden Teilchen dringen nämlich tief in die Atmosphäre ein und würden sich deshalb vom Hintergrund der anderen Teilchen absetzen. Und so sollten laut Shapere die Forscher vor allem nach Signaturen von Schwarzen Löchern Ausschau halten, die aus der Kollision mit Teilchen hervorgingen, die einen weiten Weg durch die Atmosphäre zurücklegten.

Wenn es die zusätzlichen Dimensionen wirklich gibt, dann sollten die Detektoren des Observatoriums schon im ersten Jahr hunderte von solchen Ereignissen wahrnehmen. Selbst wenn dies nicht passiert, weiß man ein wenig mehr: Denn damit lässt sich die obere Grenze für die Planck-Länge und auch die für die zusätzlichen Dimensionen erniedrigen.