Jagd auf die Geisterteilchen

Forscher suchen nach dem Ursprung der Sonnenenergie

Lange rätselten die Menschen über das Wesen des Sonnenfeuers. Heute wissen wir, dass unsere Sonne - wie alle Sterne - zum großen Teil aus Wasserstoff besteht. Fortlaufende Kernfusionen in ihrem Inneren liefern ungeheure Energiemengen. Den Nachweis für diese Theorie zu erbringen, war eines der ehrgeizigsten Forschungsprojekte des 20. Jahrhunderts.

Vor rund 4,5 Milliarden Jahren wurde unser Sonnensystem geboren. Die ersten Jahrmillionen unserer Sonne waren turbulent: In gewaltigen Explosionen wurde immer wieder Materie in den Raum hinausgeschleudert und formte sich neu. Am Ende dieses Geburtsprozesses vereinigten sich in der Sonne 99,8 Prozent der Masse unseres gesamten Planetensystems.

Das Spektrum der Sonne

Sonnenfeuer (Grafik)
Woher bezieht die Sonne ihre Energie?

Was treibt dieses gewaltige Sonnenfeuer an? Kann unser Stern unendlich Energie erzeugen? Oder ist er irgendwann ausgebrannt? Früher dachten Wissenschaftler, die Sonne sei ein gigantischer Klumpen aus Kohlenstoff und glühe wie Kohle. Berechnungen zeigten jedoch bald, dass die Sonne in diesem Fall, trotz ihrer gewaltigen Masse, schon längst erloschen wäre. Die Untersuchung des Sonnenlichts brachte die Beobachter auf eine neue Spur.

Das Licht der Sonne besteht aus elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlicher Wellenlänge. Bricht es sich in einem Prisma, so lassen sich die Lichtwellen als Farbspektrum darstellen. Astrophysiker verwenden solche Lichtspektren heute zur Klassifizierung von Sternen. Strahlt ein Stern Licht ab, so steckt in diesem Licht die Information seiner Zusammensetzung. Das sogenannte Absorptionsspektrum zeigt dann charakteristische schwarze Linien. Aus diesen spezifischen Linienmustern konnten Wissenschaftler die Zusammensetzung der Sonne ablesen. Das Ergebnis: Zu rund 74 Prozent besteht sie aus Wasserstoff.

Ein riesiger Reaktor

Aber immer noch war es ein Rätsel, woher eigentlich die ungeheure Kraft der Sonne stammt. Ein Verbrennungsprozess konnte dafür nicht genügend Energie liefern. Schon vor mehr als 80 Jahren formulierte Ernest Rutherford die Vermutung, dass es sich bei den Vorgängen in der Sonne um eine Verschmelzung von Atomen, eine Kernfusion handeln könne. Zwei Wasserstoffkerne vereinigen sich dabei zu einem Heliumkern. Bei diesem Prozess wandelt sich Materie in reine Energie um, die der glühende Gasball abstrahlt.

Wie aber lässt sich diese Vermutung überprüfen? An der Oberfläche ist von den Prozessen im Innern der Sonne nichts zu erkennen. Um eine Kernfusion zu zünden, braucht es gewaltigen Druck und Tempertauren. So muss es im Zentrum der Sonne etwa 15 Millionen Grad heiß sein. Die Lichtteilchen oder Photonen, die dort entstehen, sind 200.000 Jahre unterwegs, bis sie an die Sonnenoberfläche gelangen. Von dort braucht das Licht nur noch etwa acht Minuten für seinen Weg zur Erde. Aber das Licht bringt keine Botschaft von den Prozessen seiner Entstehung mit. Um eine Kernreaktion in der Sonne nachzuweisen, musste die Forschung einen neuen Weg verfolgen.

Geisterhafte Teilchen

Physiker hatten berechnet, dass bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium neben den Photonen auch unsichtbare Geisterteilchen entstehen müssten, sogenannte Neutrinos. Wie der Name sagt, sind diese Teilchen elektrisch neutral, besitzen fast keine Masse und hinterlassen keine offensichtlichen Spuren. Da sie kaum in Wechselwirkung mit Materie treten, lässt sich ihre Existenz nur sehr schwer nachweisen. Und doch: Wenn es gelänge, diese Geisterteilchen aufzuspüren - so dachte man -, wären sie der einzige Beweis dafür, dass in der Sonne eine Kernverschmelzung stattfindet.

Menschenmenge, von einem Strom Neutrinos durchflutet
Geisterteilchen, die alles durchdringen Quelle: ZDF

Das erste mathematische Modell der Kernfusion in der Sonne lag Anfang der 1960er Jahre vor. Nach diesen Berechnungen müssten in jeder Sekunde etwa 70 Milliarden Neutrinos auf jeden der Sonne gegenüberliegenden Quadratzentimeter der Erdoberfläche treffen und alles durchdringen - die Erdkugel und auch uns. Den Neutrinos wollte man mit unterirdischen Detektoren auf die Spur kommen. Diese sensiblen Apparaturen mussten gut abgeschirmt sein von unerwünschten Einflüssen wie zum Beispiel kosmischer Strahlung.

Forschung mit Neutrinofallen

In einer alten Goldmine in South Dakota, USA, fanden Wissenschaftler einen geeigneten Ort für ihr Vorhaben. Es war der Beginn eines jahrzehntelangen, aufreibenden Forschungsabenteuers. In 1.500 Meter Tiefe wurde dazu ein riesiger Tank mit 400.000 Litern einer chlorhaltigen Reinigungslösung gefüllt. Wenn Sonnenneutrinos den Tank durchdrangen, so die Idee, würden sie gelegentlich mit den Chloratomen kollidieren. Dabei sollten radioaktive Argon-Atome entstehen, die sich zählen ließen.

Schon nach kurzer Zeit stellte man fest: Die Sonnenneutrinos existieren tatsächlich. Doch die schlechte Nachricht war: Im Chlortank kollidierten pro Woche nur drei Atome mit Neutrinos - viel weniger, als die Theorie vorhergesagt hatte. Die Wissenschaftler standen vor einem Rätsel: War ihr Modell von der Energie aus der Sonne falsch? Oder besteht die Sonne vielleicht aus weniger Wasserstoff als berechnet, brennt sie schneller aus als vermutet? Hat gar die Technik versagt, oder ist sie nur noch nicht ausgereift?

Optische Detektoren

Weltweit wurden nun immer neue Neutrinodetektoren gebaut, Anfang der 1980er Jahre auch in Japan. Mit gewaltigem Aufwand versuchten die Forscher auch dort, dem Geheimnis der Sonne auf die Schliche zu kommen. Tief in einem Berg, abgeschirmt von Störstrahlung, wurde ein 40 Meter hoher Dom in den Felsen gesprengt, dessen Wände mit optischen Sensoren gespickt waren. 60 Millionen Liter Wasser wurden in den Tank gepumpt. Wenn nun die Neutrinos mit einzelnen Atomen darin kollidierten, mussten sie kleine Lichtblitze aussenden. Die Forscher hofften, dass es ihnen damit gelänge, die Neutrinos aufzuspüren - und zwar genau in der Anzahl, die sie laut Theorie erwarteten.

Und tatsächlich registrierten die Sensoren Lichtblitze, an denen sich die geheimnisvollen Teilchen erkennen ließen. Doch erneut war der beobachtete Neutrinofluss geringer, als er nach den Voraussagen hätte sein müssen. Das Sonnenneutrino-Problem war immer noch nicht gelöst, und weltweit ging die fieberhafte Suche weiter. Noch zweifelten die Forscher nicht am Modell der Kernfusion in der Sonne.

Endlich am Ziel

Sonne sendet Neutrinos aus (Schema)
Die Sonne sendet unterschiedliche Arten von Neutrinos aus.

Der Durchbruch gelang erst 2001, als die Wissenschaftler erkannten, dass die Sonne drei verschiedene Arten von Neutrinos auf die Erde schickt. Man unterteilt diese nach "flavours" oder Geschmäckern. Auf Basis dieser neuen Theorie konnte nach fast 40 Jahren Forschung endlich die vorhergesagte Anzahl von Neutrinos gemessen werden. Der Beweis für die Kernfusion in der Sonne war erbracht, das Geheimnis des Sonnenfeuers entschlüsselt. Das war nun endlich ganz nach dem Geschmack der Physiker. Für den Nachweis der kosmischen Neutrinos wurden Raymond Davis junior und Masatoshi Koshiba 2002 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Pro Sekunde werden in unserem Stern etwa 600 Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium verwandelt. Noch etwa fünf Milliarden Jahre wird es dauern, bis dieser Wasserstoffvorrat aufgebraucht sein wird. Dann wird sich die Sonne erst zu einem Riesenstern aufblähen, um anschließend zu einem weißen Zwerg zu schrumpfen. Das ist dann das Ende unseres Planetensystems. Aber während unsere Sonne am Rande der Milchstraße stirbt, werden an anderen Stellen Millionen neuer Sterne geboren. Und der Kreislauf der Materie im Universum beginnt von Neuem.

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