Astroteilchenphysiker Martin Wolf und sein Kollege liegen auf dem Rücken vor dem  IceCube-Teleskop im Schnee und blicken in den Himmel, wo man die Milchstraße klar sieht.
Für solche Momente lohnt sich ein Jahr am Südpol, sagt Astrophysiker Martin Wolf. Im Schnee liegend bestaunen er und sein Kollege die Milchstraße über dem IceCube-Teleskop. Im antarktischen Winter gibt es monatelang kein Sonnenlicht – dafür sind die Sterne umso klarer.
Bild: Martin Wolf / IceCube NSF
  • Forschung
  • Lesezeit: 5 MIN

Unterwegs mit Astroteilchenphysiker Martin WolfAm Südpol überwintern

Ein ganzes Jahr verbringt Dr. Martin Wolf auf der Amundsen-Scott-Südpolstation. Der Astroteilchenphysiker hat am Lehrstuhl für Experimental Physics with Cosmic Particles von Prof. Elisa Resconi geforscht und ist jetzt für den Betrieb des IceCube Neutrino-Detektors am Südpol verantwortlich. Nachdem er zu Beginn des antarktischen Sommers dort ankam, erlebt er nun auch den dunklen und sehr kalten Winter. Hier erzählt er über das Überwintern in der Antarktis und sein Leben am Ende der Welt.

Es ist jetzt Juni und ich verbringe meinen Alltag zurzeit am wohl isoliertesten und lebensfeindlichsten Ort der Welt: Auf der Amundsen-Scott-Südpolstation am geografischen Südpol. Seit hier im März die Sonne unterging und der antarktische Winter begonnen hat, sind wir von der Außenwelt abgeschnitten: kein Flugzeug und kein Versorgungstransport werden bis Ende Oktober kommen. Unser Kontakt zum Rest der Welt beschränkt sich auf die paar Stunden am Tag, an denen Satelliten den Südpol überfliegen und wir Daten austauschen können.

Der lange Weg zum Südpol

38 Menschen verbringen hier mit mir den Winter: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich um die Südpol-Experimente kümmern, Technikerinnen und Techniker, Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Küchen- und Sanitätspersonal – Menschen, die den Betrieb und die Versorgung der Station aufrechterhalten.

Martin Wolf in der Sonne am Südpol.
Feierabend am Südpol: Martin Wolf genießt die Sonne, bevor sie für einige Monate verschwinden wird.
Bild: Martin Wolf / IceCube NSF

Zum nächstgelegenen bewohnten Ort an der Küste, der amerikanischen Forschungsstation am McMurdo-Sund, sind es rund 1.600 Kilometer auf der sogenannten South Pole Overland Traverse. Über diesen Eis-Highway kommen im Sommer unsere Versorgungstransporte, die etwa 40 Tage benötigen. Am 24. November 2020 wurde ich mit anderen „Südpol-Überwinterern“ mit einer kleinen Propellermaschine von der McMurdo-Station eingeflogen. Etwa zehn Passagierflüge haben über den antarktischen Sommer das Team hier am Pol ausgetauscht. 

Obwohl ich bereits das zweite Mal ein Jahr auf der Amundsen-Scott-Südpolstation verbringe, war bei dieser Reise vieles neu für mich – auch wegen der Covid-19-Pandemie: Meine Anreise zog sich über insgesamt sechs Wochen. Sie ging über San Francisco, USA, wo ich zum neuen Winter-Team gestoßen bin, und Christchurch, Neuseeland. An jedem Ort mussten wir in Quarantäne. Auch am Südpol hatten wir eine Corona-Routine: Jedes Mal, wenn eine neue Gruppe Menschen landete, ging die Station in „Phase Gelb“ – wir mussten Masken tragen und Abstand halten. Wir sind sehr froh, dass wir verhindern konnten, dass das Virus an den Pol kommt.

Unsere Arbeit am IceCube-Labor

Mein Physiker-Kollege Josh Veitch-Michaelis und ich kümmern uns hier um den Betrieb des IceCube-Detektors. Dieses riesige Teleskop sucht nach nahezu masselosen subatomaren Partikeln, sogenannten Neutrinos. Diese astronomischen Botenteilchen kommen mit höchsten Energien aus dem Weltall zur Erde und liefern Informationen, mit denen wir etwas über die heftigsten Ereignisse im Universum erfahren können: explodierende Sterne, Gammastrahlenausbrüche und katastrophale Phänomene, an denen Schwarze Löcher und Neutronensterne beteiligt sind.

Sehen können wir diese Neutrinos nur mit Hilfe von zwei Medien: Eis oder Wasser. Das IceCube-Teleskop ist daher tief in das antarktische Eis eingeschmolzen. Der Detektor beginnt etwa 1.500 Meter unter der Eisoberfläche und reicht bis 2.500 Meter tief. Ein Kubikkilometer Eis ist mit 5.160 Fotosensoren ausgestattet, welche die Kollisionsspuren der Neutrinos mit den Eismolekülen detektieren können.

Mein Kollege Josh und ich sind dafür verantwortlich, dass der Detektor reibungslos funktioniert. Ein Informationssystem verbindet uns mit dem IceCube-Labor, das etwa 800 Meter von der Station entfernt ist. Eine Fehlermeldung bedeutet oft, dass wir raus in die Kälte und rüber zum Labor müssen. Für den Winter ist diese Strecke mit Fahnen markiert, sodass wir den Weg mit Hilfe von Stirnlampen auch bei Dunkelheit finden. Zum Glück läuft das Teleskop sehr stabil und Probleme sind eher selten. Die meiste Zeit sind wir mit normalen Wartungsarbeiten und planmäßigen Updates beschäftigt.

Impressionen vom Leben am Pol

  • Im Hintergrund steht ein Passagierflugzeug im Schnee, im Vordergrund eine Gruppe warm angezogener Menschen, die sich verabschieden.
    Über die Wintermonate ist die Amundsen-Scott-Südpolstation von der Außenwelt abgeschnitten. Ende Februar 2021 ist das letzte Passagierflugzeug der Saison bereit zum Abflug. Bild: Martin Wolf / IceCube NSF
  • Die Milchstraße in Verbindung mit Polarlichtern am Südpol.
    Die Milchstraße in Verbindung mit Polarlichtern am Südpol. Bild: Martin Wolf / IceCube NSF
  • Polarlicht am antarktischen Himmel.
    Neben den Sternen erhellen von Zeit zu Zeit auch Polarlichter den antarktischen Nachthimmel. Bild: Martin Wolf / IceCube NSF
  • Das IceCube-Labor in der Ferne vor dem durch den Sonnenuntergang orange gefärbten Himmel.
    Im März 2021 geht die Sonne langsam hinter dem IceCube-Labor unter. Nachdem sie endgültig hinter dem Horizont verschwunden ist, erwarten die Menschen in der Amundsen-Scott-Südpolstation mehrere Monate ohne Tageslicht. Fahnen im Schnee dieser Zeit zur Orientierung in der Dunkelheit. Bild: Martin Wolf / IceCube NSF
  • Gewächshaus von Innen.
    Ein eigenes Gewächshaus versorgt die von der Zivilisation abgeschnittenen Bewohnerinnen und Bewohner der Südpolstation mit frischem Salat und Gemüse. Bild: Josh Veitch-Michaelis / IceCube NSF

Ein Winter ohne Sonnenlicht

Am Südpol ist es natürlich immer kalt, aber seit Mitte März konnten wir nochmal deutlich spüren, dass der Winter näherkommt: Die Sonne stand von Tag zu Tag tiefer und es wurde immer kälter. Von sommerlichen minus 20 Grad Celsius kann die Temperatur im Winter auf bis zu minus 70 Grad fallen. Am 25. März war es soweit: Sonnenuntergang! Wetter und Sicht waren gut, und so konnten wir beobachten, wie die Sonne hinter dem Horizont verschwand und sich der Himmel darüber grün färbte. Dann setzte die Dämmerung ein, die nicht Stunden, sondern Wochen dauert. Das Licht wurde langsam weniger bis schließlich auch der letzte Rest über dem Horizont erloschen war. Nun ist es für Monate wirklich dunkel – und kalt.

In dieser Zeit ist das Team-Building sehr wichtig für uns. Die Gemeinschaft organisiert zum Beispiel regelmäßig Kino- oder Spieleabende und Vortragsreihen. Auch Notfalltrainings stehen auf dem Plan. Feste zelebrieren wir ganz besonders. An Weihnachten hat unser Koch ein fantastisches Menü gezaubert, mit Gemüse und Salat aus unserem Gewächshaus und 14 verschiedenen Desserts. Damit das Küchen-Team auch mal frei hat, übernehmen wir anderen sonntags regelmäßig das Kochen. Es ist außerdem Tradition, dass wir zum Jahreswechsel feierlich den Markierungspunkt für den geografischen Südpol versetzen. Da sich das Eis jedes Jahr um etwa zehn Meter Richtung Meer bewegt, wird die Markierung an Neujahr wieder auf dem korrekten Punkt platziert. In der ersten Januarwoche findet jedes Jahr ein Marathon statt. Der Kurs schlängelt sich um die Station und alle Sehenswürdigkeiten des Südpols. In viereinhalb Stunden schaffte der diesjährige Sieger die Strecke. Für einen Amateur ist das auf jeden Fall eine sehr anständige Zeit, wenn man bedenkt, dass wir uns hier auf 3.000 Metern Höhe befinden und in weichem Schnee laufen. Der Preis für den Sieger: Extraduschzeit.

Obwohl im antarktischen Winter die Sonne über Monate fehlt, sehen wir manchmal doch Licht. Kürzlich war der Himmel klar und die Sterne und Polarlichter leuchteten so hell, dass Josh und ich auf dem Weg zum IceCube-Labor keine Stirnlampen brauchten. Auf dem Rückweg legten wir uns in den Schnee und betrachteten die Sterne und die Milchstraße – einer der ganz besonderen Momente, für die es sich wirklich lohnt, hier zu sein!

Warum am Südpol forschen? Boten aus dem All aufspüren!

  • Der IceCube-Detektor vor einem Sonnenuntergang im Jahr 2017, als Martin Wolf schon einmal am Südpol überwinterte.

    Billionen hochenergetischer Neutrinos aus den Tiefen des Alls rasen jede Sekunde von allen Seiten auf unsere Erde zu und durchqueren sie praktisch spurenlos. Die Astroteilchenphysikerin Prof. Elisa Resconi will verstehen, welche kosmischen Ereignisse diese Elementarteilchen auf so große Geschwindigkeit beschleunigen. Weil Neutrinos fast keine Wechselwirkungen haben, benötigt man riesige Detektoren, wie den „IceCube“ tief im ewigen Eis des Südpols. Etwa 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 53 Institutionen in 12 Ländern arbeiten am IceCube-Projekt mit, auch die Forschungsgruppe von Prof. Elisa Resconi an der TUM. Die Hauptfinanzierung kommt von der US-amerikanischen National Science Foundation, weitere Unterstützung von Forschungsförderungsagenturen der Partnerländer. Die University of Wisconsin-Madison ist für die Wartung und den Betrieb des Detektors verantwortlich.

    Bild: Martin Wolf / IceCube NSF
  • Digitales optisches Modul, das ins Eis abgesenkt wird.

    Das IceCube Neutrino-Observatorium besteht aus 5.160 optischen Sensoren, die in Tiefen zwischen 1.450 und 2.450 Metern in das Eis des Südpols eingelassen sind. Stoßen die fast masselosen subatomaren Neutrinos mit Eismolekülen zusammen registrieren die Detektoren Lichtblitze. Aus Energie und Richtung der Teilchen lassen sich so Informationen über die gewaltigsten astrophysikalischen Phänomene extrahieren: explodierende Sterne, Gammastrahlenausbrüche und aktive galaktische Zentren. Hier wird ein solcher Sensor, ein digitales optisches Modulen (DOM) ins Eis abgesenkt.

    Bild: Mark Krasberg / IceCube NSF
  • Prof. Elisa Resconi hält ein sogenanntes digitales optisches Modul.

    Seit den ersten Planungen vor fast 20 Jahren über die Inbetriebnahme von IceCube im Jahr 2010 bis hin zur Beobachtung der ersten kosmischen Neutrinos zwei Jahre später ist Prof. Elisa Resconi an diesem Projekt beteiligt. Mit ihrer Forschungsgruppe an der TUM trug Elisa Resconi im Jahr 2017 maßgeblich zur Identifizierung der ersten Quelle hochenergetischer Neutrinos bei, eines Blazars in 5,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Hier hält sie einen der im antarktischen Eis versenkten Sensoren. Elisa Resconi ist seit 2012 Professorin für Experimental Physics with Cosmic Particles an der TUM und seit 2017 Sprecherin des Sonderforschungsbereichs 1258 „Neutrinos und Dunkle Materie in der Astro- und Teilchenphysik“. Von 2012 bis 2018 war die Astrophysikerin Principal Investigator des Exzellenzclusters Universe und forscht seit 2019 im Exzellenzcluster ORIGINS. Im Jahr 2019 hat die TUM der Astroteilchenphysikerin eine Liesel Beckmann-Professur verliehen, die nur an international höchstrangige Wissenschaftlerinnen vergeben wird.

    Bild: Magdalena Jooss / TUM
  • Skizze des geplanten Tiefsee-Observatoriums.

    Vom Pol in die Tiefen des Ozeans: Vor drei Jahren startete Elisa Resconi eine internationale Initiative für einen neuen, mehrere Kubikkilometer großen Neutrino-Detektor im Pazifischen Ozean. Eines Tages soll er zu einem weltweiten Netzwerk an Neutrino-Teleskopen gehören. Als Partner konnte Resconi Ocean Networks Canada gewinnen, eine Initiative der University of Victoria, Kanada, die im nordöstlichen Pazifik mehrere Tiefsee-Observatorien betreibt und hierzu ein umfangreiches unterseeisches Glasfaserkabel-Netzwerk angelegt hat. Mit ihrer vorhandenen Infrastruktur bietet die ausgedehnte Tiefseeebene vor der Pazifikküste Kanadas ideale Voraussetzungen für das Vorhaben. Von Resconis Team entwickelte Erkundungsexperimente beobachten bereits die Gegebenheiten in der Tiefsee. Das erste Modul des Pacific Ocean Neutrino Explorer (P-ONE) soll im Jahr 2023 installiert werden. Das Bild zeigt die Skizze des geplanten Neutrino-Teleskops P-ONE im Pazifischen Ozean (links). Das Teleskop soll modular aufgebaut sein und aus sieben gleichen Detektorsegmenten bestehen (rechts).

    Bild: Elisa Resconi / TUM

Mehr Informationen:

Dieser Artikel erschien auch in der Ausgabe 3/2021 des Universitätsmagazins TUMcampus.

Technische Universität München

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lisa.pietrzyk(at)tum.de

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