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Gemeinsamer Blick in das Rätsel des Universums

Dr. Ralf Wischnewski
Projektleiter des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, Zeuthen
Prof. Dr. Nikolai Budnev
Dekan der Physikalischen Fakultät der Staatlichen Universität Irkutsk (ISU)



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Auf dem Eis des Baikalsees: Montage des Neutrino-Teleskops © Christian Thiel

Es ist das Jahr 1988: Der Eiserne Vorhang zerteilt Europa; in der Bundesrepublik Deutschland regiert Helmut Kohl, in der Deutschen Demokratischen Republik Erich Honecker, und in der Sowjetunion hat Michail Gorbatschow bereits einen beispiellosen Wandel zur Öffnung des Staates eingeleitet. Es ist das Jahr, in dem Ralf Wischnewski und Nikolai Budnev mit ihren Kollegen die Basis für eine deutsch-russische Forschungskooperation legen, die auch mehr als 30 Jahre später noch Bestand hat. Beide erinnern sich gut an die Anfänge in einem sehr harten Winter am Baikalsee. „Ralf und Christian aus Zeuthen nahmen erstmals an unserer Eis-Expedition teil, die diesmal sehr ungewöhnlich und extrem war. Die Piste über dem zugefrorenen Baikalsee drohte unpassierbar zu werden, da täglich mit schwerer Technik Teleskopkomponenten ins Camp auf dem See transportiert wurden, und sich im Eis gefährliche Risse bildeten“, erzählt der russische Astrophysiker Budnev, der damals als 38-Jähriger die Arbeitsgruppe des Baikal-Neutrino-Teleskops an der Staatlichen Universität Irkutsk leitete. Die beiden Deutschen, die am Institut für Hochenergiephysik im ostdeutschen Zeuthen forschten und von Budnev nach Sibirien eingeladen worden waren, halfen in der freien Zeit, die Eisspalten mit Holzbohlen und Eisblöcken zu stopfen, damit Lastwagen und Jeeps sie sicher überqueren konnten.

Das weltweit erste Unterwasser-Neutrino-Teleskop

Die russischen Forscher hatten zum damaligen Zeitpunkt bereits mehrere Jahre auf dem Gebiet der Hochenergie-Neutrino-Astronomie experimentiert. Ihr Ziel: der Aufbau des weltweit ersten Unterwasser-Neutrino-Teleskops. Damit sollten Neutrinos gemessen werden, die eigentlich nur sehr schwer zu erfassen sind – winzige elementare Teilchen, die keine elektrische Ladung besitzen und sehr selten mit Materie wechselwirken. Interessant sind sie, weil Astrophysiker damit Informationen über den Aufbau des Universums erhalten, die ansonsten unerreichbar wären: über das Zentrum unserer Galaxie, über das Innere von Galaxien mit aktiven Kernen, über die Natur der Dunklen Materie. In mehr als einem Kilometer Tiefe des Baikalsees gelang es den Wissenschaftlern mit einem Netz von Glaskugeln, in denen hochsensible Lichtsensoren angebracht wurden, schwaches, bläuliches Licht zu beobachten, die sogenannte Cherenkov-Strahlung. Sie entsteht, wenn hochenergetische Neutrinos mit Wasseratomen zusammenstoßen und schnell fliegende Tochterteilchen erzeugen. Aus den Lichtsignalen wollten die Physiker Rückschlüsse ziehen – und mittels bis zum Ufer verkabeltem Unterwasserdetektor Daten über die Ankunftsrichtungen der Neutrinos sammeln. „Für uns in Zeuthen war das eine tolle Gelegenheit, auf diesem völlig neuen Gebiet arbeiten zu können, denn es gab damals nur in den USA bei Hawaii ein vergleichbares Projekt“, erzählt Ralf Wischnewski. Deshalb hätten sie sich sehr über die Einladung der russischen Kollegen gefreut.

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Das TAIGA-Observatorium im sibirischen Tunka-Tal: eines der drei Teleskope © TAIGA

Von Brandenburg an den Baikalsee

Der Baikalsee war zwar für den deutschen Wissenschaftler im brandenburgischen Zeuthen rund 6.000 Kilometer entfernt, doch der Standort bot ideale Voraussetzungen für den binationalen Forschungsansatz. Nikolai Budnev erklärt: „Der Baikalsee liegt auf der Nordhalbkugel, sodass man von dort aus das Zentrum der Milchstraße untersuchen kann.“ Für den signifikanten Nachweis von Neutrinos sind zudem sehr große Flächen nötig. Aus statischen und finanziellen Gründen ist das am ehesten unter Wasser möglich. Zudem erleichtert die Kälte Sibiriens die Suche nach Neutrinos, da man so auf dem zugefrorenen Eis Lastwagen und Kräne einsetzen kann, die für Aufbau und Wartung des Teleskops wichtig sind. Im Jahr 1993 gelang es dem deutsch-russischen Forschungsteam schließlich, das weltweit erste funktionierende Unterwasser-Teleskop an den Start zu bringen. „Das Experiment hat eine Vorreiterrolle auf dem Gebiet der Hochenergie-Neutrino-Astronomie gespielt und andere internationale Teleskopentwicklungen befördert, etwa im Mittelmeer oder am Südpol“, erzählt Wischnewski. Das galt auch für das Zeuthener Institut, das seit 1992 Teil des Deutschen Elektronen-Synchrotrons, kurz DESY, ist. „Am DESY haben wir so erste praktische und erfolgreiche Erfahrungen auf dem Gebiet der Astroteilchenphysik gesammelt.“ Dies habe ein neues Forschungsfeld eröffnet, das auch noch heutzutage stetig wachse.

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Ralf Wischnewski (3. v. l.) bei einem seiner zahlreichen Forschungsaufenthalte in Sibirien © TAIGA

Erfolgreiche deutsch-russische Kooperation

Wischnewski und Budnev sammelten am Baikal-Neutrino-Teleskop viele gute Erfahrungen. „Deutsche Wissenschaftler haben zum Beispiel ein modernes Datenerfassungssystem für das Teleskop entwickelt“, berichtet Nikolai Budnev. Gefallen fand er auch an der Fähigkeit der Partner zur offenen Kritik. „Ein selbstkritischer Ansatz ist fundamental, weil er die Wissenschaft voranbringt.“ Für Wischnewski ist das Unterwasser-Teleskop ein Beispiel, wie internationale Kooperation im Idealfall ablaufen sollte: „Beide Partner bringen ihr jeweiliges Wissen ein, ergänzen sich und erhalten als Ergebnis exzellente Wissenschaft“, bilanziert er. Allerdings schwebten auch über dem deutsch-russischen Forschungsprojekt dunkle Wolken. Das galt insbesondere für den Übergang der Sowjetunion in die Russische Föderation Anfang der 1990er-Jahre, als der Staat unter großen ökonomischen Problemen litt: Es gab kaum Geld für neue Geräte, Gehälter der Wissenschaftler wurden nicht bezahlt, Fördergelder für Forschungsprogramme zusammengestrichen. „Gerettet wurde die Arbeiten am Teleskop in dieser Zeit auch durch die finanzielle Projektförderung aus Deutschland“, erinnert sich Budnev.

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Überblick des TAIGA-Observatoriums im sibirischen Tunka-Tal © TAIGA

TAIGA-Observatorium und Cherenkov-Licht

Die zwischenzeitlichen finanziellen Schwierigkeiten änderten jedoch nichts daran, dass das Astrophysiker-Team die Erfahrungen der Zusammenarbeit nutzte, um im Jahr 2011 mit Kollegen aus Moskau und Hamburg ein Nachfolgeprojekt im Tunka-Tal in rund 50 Kilometern Entfernung vom Baikalsee zu initiieren: das TAIGA-Observatorium. Unter anderem gefördert vom russischen Wissenschaftsministerium, der Russian Science Foundatiom (RSF), der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung (RFBR), dem DAAD und der Helmholtz-Gemeinschaft sollen die Detektoren des TAIGA-Observatoriums künftig das Cherenkov-Licht schneller Sekundärpartikel registrieren, die von kosmischer Teilchen- und Gammastrahlung in den oberen Schichten der Erdatmosphäre erzeugt werden. Das Cherenkov-Licht ist eine Art Überschallknall überlichtschneller Teilchen: Kosmische Strahlung löst in der Erdatmosphäre eine Kaskade von Sekundärteilchen aus, die als sogenannter Luftschauer vom Himmel regnen. Viele dieser Sekundärteilchen sind schneller als die Lichtgeschwindigkeit in Luft. Die Folge: Es entsteht das bläuliche Glimmen der Cherenkov-Strahlung, die sich bei klarem, mondlosem Himmel mit hochmodernen Messgeräten nachweisen lässt. Ein Großteil des alten Teams des Baikal-Neutrino-Teleskops hilft nun mit, diese neue Astrophysik-Forschungsinfrastruktur aufzubauen – und Nikolai Budnev ist einer der beiden Koordinatoren auf russischer Seite, DESY-Forscher Ralf Wischnewski einer der Ansprechpartner auf deutscher Seite.

Arbeit an der Zukunft

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Teamarbeit: Wissenschaftlicher Nachwuchs bringt die Forschung voran © TAIGA

Das Wissenschaftler-Duo, das regelmäßig miteinander telefoniert, skypt und sich zumindest vor der Corona-Pandemie auch zwei- bis dreimal pro Jahr vor Ort in Sibirien und in Moskau traf, legt Wert darauf, Studierende, Doktoranden und Postdocs einzuarbeiten. „Einige der besten technischen Ideen kommen von den Nachwuchswissenschaftlern. Sie sind gut ausgebildet, stellen die richtigen Fragen und geben so einen wichtigen Input“, sagt Wischnewski. Damit werde die nächste Generation der Forschenden ausgebildet, die sicherstellen solle, dass die Arbeit an den Teleskopen auch in Zukunft auf hohem Niveau fortgesetzt wird. Konkret zeigt sich das zum Beispiel im Hochschulalltag von Nikolai Budnev, der seit 2003 Professor für Radioelektronik am Physik-Department der Universität Irkutsk ist. „Unter den 37 Physikern im TAIGA-Team in Irkutsk sind acht Postdocs und 15 Studierende; die Hälfte ist jünger als 35 Jahre“, sagt der 70-jährige. Eine wichtige Basis für die Arbeit am neuen Teleskop und die Weiterentwicklung der Forschung.


Benjamin Haerdle



Dazu ein aktueller Hinweis: Das Projekt von DESY Zeuthen und der Staatlichen Universität Irkutsk „TAIGA-Observatorium: Russland und Deutschland öffnen ein neues Fenster ins Universum“ ist bei der Abschlussveranstaltung des Deutsch-Russischen Themenjahrs als eines von 25 bilateralen Projekten ausgezeichnet worden. Dr. Ralf Wischnewski und Professor Nikolai Budnev erhielten ihre von den Außenministern unterschriebenen Ehrenurkunden in Berlin bzw. Moskau bei einer digitalen Zusammenschaltung der beiden Zeremonien. Anschließend fand eine wissenschaftspolitische Konferenz mit Schaltungen zwischen Studio Berlin und Studio Moskau statt.