Die Luft über Ihrem Kopf lebt mit unsichtbaren Duschen. Starke Teilchen aus dem Weltraum treffen ständig auf die Atmosphäre über Ihnen und erzeugen eine subatomare Kaskade, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach unten schießt. Herauszufinden, woher diese Regengüsse stammen und was sie uns über das Universum erzählen, ist Aufgabe des High-Altitude Water Cherenkov-Observatoriums (HAWC), eines Teleskops, das aus 300 riesigen Tanks mit gereinigtem Wasser besteht und sich in der Nähe des Gipfels des Vulkans Sierra Negra in Mexiko befindet.
Das Ziel von HAWC ist es, die energiereichsten Phänomene im Kosmos zu finden. Dazu gehören exotische Sterne, supermassereiche Schwarze Löcher und die Vernichtung dunkler Materie. Solche Phänomene erzeugen Gammastrahlen, Photonen mit mehr als einer Billionfachen der Energie des optischen Lichts, das wir sehen, und kosmische Strahlen, geladene Atomkerne mit einer Energie, die bis zu siebenmal so hoch ist wie die der Protonen, die beim Large Hadron Collider zusammengeschlagen wurden. Die Ursprünge von beiden stecken in vielen Rätseln, weshalb HAWC ständig einen großen Teil des Himmels überwacht, in der Hoffnung, einige zu enträtseln.
Wenn ein Teilchen mit ultrahoher Energie in die Erdatmosphäre eindringt und gegen ein Luftmolekül stößt, entstehen bei der Reaktion neue subatomare Teilchen. Jedes von ihnen enthält enorme Energie und zerschmettert und reagiert weiter und produziert mehr Partikel in einer sich immer weiter ausbreitenden Lawine, die sich bis zum Erreichen des Bodens in einem Kreis von etwa 100 Metern Breite ausbreitet. Diese Partikeldusche durchläuft die Panzer des Teleskops und bewegt sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser (was etwa drei Viertel der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum entspricht). Dabei entsteht das optische Äquivalent eines Schallknalls - ein Ausbruch von ultraviolettem Licht, der als Cherenkov-Strahlung bekannt ist. Durch die genaue Charakterisierung, wie und wann die Partikel auf eine Reihe gereinigter Wassertanks treffen, können Forscher feststellen, wo sich die Quelle am Himmel befindet.
Ungefähr 20.000 solcher Schauer werden bei HAWC pro Sekunde aufgezeichnet, aber fast alle sind kosmische Strahlen, keine Gammastrahlen. Da kosmische Strahlen geladen sind, wird ihr Flugweg durch Magnetfelder verändert, so dass ihre Ursprungspunkte nicht bestimmt werden können. Gammastrahlen sind viel seltener - HAWC sieht ungefähr 1.000 davon pro Tag -, aber sie weisen in einer geraden Linie zurück zu ihren Quellen. Bisherige Gammastrahlenteleskope mussten in der Regel auf bestimmte Punkte am Himmel gerichtet werden, häufig erst, nachdem die Forscher auf einige dort auftretende energiereiche Phänomene aufmerksam gemacht wurden. Da HAWC zu jeder Zeit ins Universum hinausblickt, hat es eine bessere Chance, diese seltenen Blitze aufzufangen.
Das Observatorium wurde im März 2015 fertiggestellt und veröffentlichte erst kürzlich sein erstes Datenjahr - eine Karte des Himmels, auf der etwa 40 superhelle Quellen sichtbar sind, viele davon aus unserer Milchstraßengalaxie. "Dies sind keine gewöhnlichen Stars", sagte die Physikerin Brenda Dingus vom Los Alamos National Laboratory, Sprecherin des HAWC.
Die meisten sind Supernova-Überreste, die Folgen der gewaltigen Explosion, die beim Tod eines Riesensterns auftritt. Während sich die Stoßwellen dieser Explosionen nach außen ausdehnen, prallen sie mit hoher Geschwindigkeit auf umgebendes Gas und Staub und erzeugen Gammastrahlung - ein Prozess, der Tausende von Jahren andauern kann. Das HAWC-Team hofft, Supernova-Überreste in verschiedenen Stadien ihrer Entwicklung zu entdecken und ihre Daten mit Daten anderer Teleskope zu kombinieren, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten, um die Details dieses komplexen Prozesses herauszufinden. Da Supernova-Überreste starke Magnetfelder haben, fangen und beschleunigen sie geladene Teilchen und erzeugen kosmische Strahlen. Die meisten der kosmischen Strahlen, die wir sehen, stammen vermutlich von solchen Orten. Sie können aber auch von Pulsaren - schnell rotierenden superdichten Neutronensternen, die einen Strahlungsstrahl aussenden - und schwarzen Löchern erzeugt werden, die sich gegenseitig umkreisen. HAWC wird Forschern dabei helfen, die Gesamtleistung all dieser verschiedenen kosmischen Teilchenbeschleuniger zu bestimmen.
Die HAWC-Daten enthalten auch mehrere helle Objekte, die sich außerhalb der Galaxie befinden. Weil sie so weit weg sind, müssen diese Quellen wie Scheinwerfer im Universum leuchten. Einige sind aktive galaktische Kerne, junge Galaxien, deren zentrales supermassereiches Schwarzes Loch von einer riesigen Gas- und Staubschwemme gefressen wird. Während sich die Materie um das Schwarze Loch dreht, erwärmt sie sich und setzt kolossale Strahlen frei. HAWC hat gesehen, dass diese Strukturen in regelmäßigen Abständen aufflammen, aber genau, warum dies auftritt, ist unbekannt.
Das Observatorium hofft auch, Gammastrahlenausbrüche zu entdecken, die energiereichsten Phänomene im bekannten Universum. Diese Explosionen, die entstehen sollen, wenn ein supermassereicher Stern in ein Schwarzes Loch einstürzt, setzen in wenigen Sekunden dieselbe Energiemenge frei, die unsere Sonne im Laufe ihres gesamten Lebens abgeben wird. Weil sie so vergänglich sind, ist es für Wissenschaftler schwierig, sie zu studieren, aber HAWC - das ständig den Himmel beobachtet - wird voraussichtlich mindestens ein paar pro Jahr sehen.
Dann gibt es die wirklich revolutionären Dinge, die HAWC möglicherweise beobachten könnte. "Dunkle Materie wäre das Coolste", sagte Dingus.
Während Wissenschaftler die Gravitationseffekte dieses seltsamen Materials im Universum beobachten können, erzeugt die Dunkle Materie keine elektromagnetische Strahlung und taucht daher in gewöhnlichen Teleskopen nicht auf. Einige Theoretiker spekulieren jedoch, dass dunkle Materieteilchen ineinander stoßen und vernichten könnten, ein Prozess, der Gammastrahlen erzeugen sollte. An Orten wie zwergartigen kugelförmigen Galaxien, die fast ausschließlich aus dunkler Materie bestehen, sollte diese Vernichtung ständig stattfinden. Bisher hat noch niemand eine signifikante Gammastrahlung gesehen, die von diesen schwachen, kleinen Galaxien ausgeht, aber es werden ständig neue entdeckt, was die Möglichkeit eröffnet, eines der größten Geheimnisse der Astronomie endlich aufzudecken.
Je länger HAWC in das Universum blickt, desto tiefer und detaillierter werden seine Beobachtungen. Der erste Lauf des Observatoriums soll derzeit im Jahr 2020 enden. "Aber wenn wir etwas Cooles sehen, werden wir vielleicht länger laufen", sagte Dingus.
