Die Oberflächenanlage für das IceCube-Experiment, das sich in der Antarktis unter 1,6 Kilometern Eis befindet. IceCube schlägt vor, dass es keine gespenstischen Neutrinos gibt, aber ein neues Experiment sagt, dass dies der Fall ist.
(Bild: © Mit freundlicher Genehmigung des IceCube Neutrino Observatory)
Im eisigen Ödland der Antarktis befindet sich ein massiver Partikeldetektor, das IceCube Neutrino Observatory. Das Durchsuchen der Oberfläche nach dem Instrument wird sich jedoch als schwierig erweisen, da der Großteil des Observatoriums unter dem Eis eingeschlossen ist. Das internationale Observatorium hat nach Neutrinos gesucht - masselosen, ladungslosen Teilchen, die fast nie mit Materie interagieren. Jetzt könnten seine Beobachtungen eines der größten Rätsel der Astronomie lösen und die Fragen hinter dem Ursprung von Neutrinos und kosmischen Strahlen beantworten.
Der größte von allen
Das IceCube Neutrino Observatory erstreckt sich über einen Kubikkilometer in der Nähe des Südpols. Das Instrument bedeckt einen Quadratkilometer der Oberfläche und ist bis zu 1.500 Meter tief. Es ist der erste Gigatonnen-Neutrino-Detektor, der jemals gebaut wurde.
Während Fotos von IceCube oft ein Gebäude zeigen, das auf der schneebedeckten Oberfläche steht, wird die eigentliche Arbeit unten erledigt. Das Mehrzweckexperiment umfasst ein Oberflächenarray, IceTop, ein Array von 81 Stationen, die über den Saiten sitzen. IceTop dient als Kalibrierungsdetektor für IceCube sowie zur Erkennung von Luftduschen aus primären kosmischen Strahlen sowie deren Fluss und Zusammensetzung.
Der dichte innere Subdetektor DeepCore ist das Kraftpaket des IceCube-Experiments. Jede der IceTop-Stationen besteht aus Strings, die an digitalen optischen Modulen (DOMs) angebracht sind, die in einem sechseckigen Gitter mit einem Abstand von 125 Metern eingesetzt werden. Jede Saite enthält 60 DOMs in Basketballgröße. Hier, tief im Eis, kann IceCube nach Neutrinos suchen, die von der Sonne, aus der Milchstraße und von außerhalb der Galaxie stammen. Diese geisterhaften Teilchen sind mit kosmischen Strahlen verbunden, den Teilchen mit der höchsten Energie, die jemals beobachtet wurden.
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Geheimnisvolle Partikel
Die kosmischen Strahlen wurden erstmals 1912 entdeckt. Die starken Strahlungsstöße kollidieren ständig mit der Erde und strömen aus allen Teilen der Galaxie ein. Wissenschaftler berechneten, dass sich die geladenen Teilchen in einigen der gewalttätigsten und am wenigsten verstandenen Objekte und Ereignisse im Universum bilden müssen. Der explosive Sterntod eines Sterns, einer Supernova, bietet eine Methode zur Erzeugung kosmischer Strahlen. die aktiven Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien ein anderes.
Da kosmische Strahlen jedoch aus geladenen Teilchen bestehen, interagieren sie mit den Magnetfeldern von Sternen und anderen Objekten, an denen sie vorbeigehen. Die Felder verziehen sich und verschieben den Weg der kosmischen Strahlung, was es Wissenschaftlern unmöglich macht, sie bis zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen.
Hier kommen Neutrinos ins Spiel. Wie bei kosmischen Strahlen wird angenommen, dass sich die massearmen Teilchen durch Gewalt bilden. Da Neutrinos jedoch keine Ladung haben, passieren sie Magnetfelder, ohne ihren Weg zu ändern, und bewegen sich in einer geraden Linie von ihrer Quelle.
"Aus diesem Grund ist die Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung auch zur Suche nach sehr energiereichen Neutrinos geworden", so die Website von IceCube.
Die gleichen Eigenschaften, die Neutrinos zu so guten Botenstoffen machen, bedeuten jedoch auch, dass sie schwer zu erkennen sind. Jede Sekunde passieren ungefähr 100 Milliarden Neutrinos einen Quadratzoll Ihres Körpers. Die meisten von ihnen stammen von der Sonne und sind nicht energiereich genug, um von IceCube identifiziert zu werden, aber einige wurden wahrscheinlich außerhalb der Milchstraße hergestellt.
Das Erkennen von Neutrinos erfordert die Verwendung von sehr klarem Material wie Wasser oder Eis. Wenn ein einzelnes Neutrino innerhalb eines Atoms gegen ein Proton oder Neutron stößt, erzeugt die resultierende Kernreaktion Sekundärteilchen, die ein blaues Licht abgeben, das als Cherenkov-Strahlung bekannt ist.
"Die Neutrinos, die wir entdecken, sind wie Fingerabdrücke, die uns helfen, die Objekte und Phänomene zu verstehen, in denen die Neutrinos hergestellt werden", so das IceCube-Team.
Harten Bedingungen
Der Südpol ist zwar kein Weltraum, bringt aber seine eigenen Herausforderungen mit sich. Die Ingenieure begannen 2004 mit dem Bau von IceCube, einem siebenjährigen Projekt, das 2010 planmäßig abgeschlossen wurde. Die Bauarbeiten konnten im Sommer der südlichen Hemisphäre von November bis Februar nur für einige Monate pro Jahr durchgeführt werden.
Das Bohren von 86 Löchern erforderte einen speziellen Bohrertyp - zwei davon tatsächlich. Der erste rückte durch den Firn, eine Schicht verdichteten Schnees, bis auf etwa 50 Meter vor. Dann schmolz eine Hochdruck-Heißwasserbohrmaschine mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Metern pro Minute bis zu einer Tiefe von 2.450 Metern durch das Eis.
"Zusammen konnten die beiden Bohrer konstant nahezu perfekte vertikale Löcher erzeugen, die alle zwei Tage für den Einsatz von Instrumenten mit einer Geschwindigkeit von einem Loch bereit sind", so IceCube.
Die Saiten mussten dann schnell in das geschmolzene Wasser eingesetzt werden, bevor das Eis wieder gefroren war. Es dauerte einige Wochen, bis sich das Gefrieren stabilisiert hatte. Danach blieben die Instrumente unberührbar, dauerhaft im Eis gefroren und konnten nicht repariert werden. Die Ausfallrate der Instrumente war extrem langsam. Weniger als 100 der 5.500 Sensoren sind derzeit nicht betriebsbereit.
IceCube begann von Anfang an, Beobachtungen zu machen, auch wenn andere Saiten eingesetzt wurden.
Als das Projekt begann, waren sich die Forscher laut Halzen nicht sicher, wie weit Licht durch das Eis wandern würde. Mit diesen Informationen arbeitet die Zusammenarbeit auf IceCube-Gen2 hin. Das verbesserte Observatorium würde ungefähr 80 weitere Detektorstrings hinzufügen, während das Verständnis der Eigenschaften von Eis es Forschern ermöglichen wird, die Sensoren weiter auseinander zu platzieren als ihre ursprünglichen konservativen Schätzungen. IceCube-Gen2 sollte die Größe des Observatoriums für ungefähr die gleichen Kosten verdoppeln.
Unglaubliche Wissenschaft
IceCube begann vor seiner Fertigstellung mit der Jagd nach Neutrinos und lieferte dabei einige interessante wissenschaftliche Ergebnisse.
Zwischen Mai 2010 und Mai 2012 beobachtete IceCube 28 sehr energiereiche Partikel. Halzen führte die Fähigkeit des Detektors, diese extremen Ereignisse zu beobachten, auf die Fertigstellung des Detektors zurück.
"Dies ist der erste Hinweis auf sehr energiereiche Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen. Die Energien sind mehr als eine Million Mal so hoch wie 1987 im Zusammenhang mit einer Supernova in der großen Magellanschen Wolke", sagte Halzen in einer Erklärung. "Es ist erfreulich, endlich zu sehen, wonach wir gesucht haben. Dies ist der Beginn eines neuen Zeitalters der Astronomie."
Im April 2012 wurden zwei hochenergetische Neutrinos entdeckt und Bert und Ernie genannt, nach den Figuren aus der Kinderfernsehshow "Sesame Street". Mit Energien über 1 Petaelektronvolt (PeV) waren die beiden die ersten definitiv nachgewiesenen Neutrinos von außerhalb des Sonnensystems seit der Supernova von 1987.
"Es ist ein großer Durchbruch", sagte Uli Katz, Teilchenphysiker an der Universität Erlangen-Nürnberg, der nicht an der Forschung beteiligt war. "Ich denke, es ist eine der absolut wichtigsten Entdeckungen in der Astroteilchenphysik", sagte Katz gegenüber Space.com.
Diese Beobachtungen führten dazu, dass IceCube als Durchbruch des Jahres 2013 der Physikwelt ausgezeichnet wurde.
Eine weitere große Auszahlung erfolgte am 4. Dezember 2012, als das Observatorium ein Ereignis entdeckte, das die Wissenschaftler Big Bird nannten, ebenfalls aus der "Sesamstraße". Big Bird war ein Neutrino mit einer Energie von mehr als 2 Billiarden Elektronenvolt, mehr als eine Million Millionen Mal größer als die Energie eines Zahnröntgenstrahls, gepackt in ein einzelnes Teilchen mit weniger als einem Millionstel einer Elektronenmasse. Zu dieser Zeit war es das energiereichste Neutrino, das jemals entdeckt wurde. ab 2018 steht es immer noch an zweiter Stelle.
Mit Hilfe des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA haben Wissenschaftler Big Bird an den hochenergetischen Ausbruch eines Blazars namens PKS B1424-418 gebunden. Blazare werden von supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum einer Galaxie angetrieben. Während das Schwarze Loch Material verschlingt, wird ein Teil des Materials in Jets abgelenkt, die so viel Energie tragen, dass sie die Sterne in der Galaxie überstrahlen. Die Jets beschleunigen die Materie und erzeugen Neutrinos und Atomfragmente, die kosmische Strahlen erzeugen.
Ab Sommer 2012 leuchtete der Blazar bei Gammastrahlen zwischen 15 und 30 Mal heller als vor dem Ausbruch. Ein Langzeitbeobachtungsprogramm namens TANAMI, das routinemäßig fast 100 aktive Galaxien am südlichen Himmel überwachte, ergab, dass sich der Kern des Galaxienstrahls zwischen 2011 und 2013 viermal aufgehellt hatte.
"Keine andere unserer von TANAMI während der Laufzeit des Programms beobachteten Galaxien hat eine derart dramatische Veränderung gezeigt", sagte Eduardo Ros vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Deutschland in einer Erklärung von 2016. Das Team berechnete, dass die beiden Ereignisse miteinander verbunden waren.
"Unter Berücksichtigung aller Beobachtungen scheint der Blazar Mittel, Motive und Möglichkeiten gehabt zu haben, das Big Bird-Neutrino abzufeuern, was es zu unserem Hauptverdächtigen macht", sagte Matthias Kadler, Professor für Astrophysik an der Universität Würzburg in Deutschland."
Im Juli 2018 gab IceCube bekannt, dass Neutrinos zum ersten Mal bis zu ihrem Quellblazar zurückverfolgt wurden. Dank eines neu installierten Warnsystems, das innerhalb von Minuten nach der Entdeckung eines starken Neutrino-Kandidaten an Wissenschaftler auf der ganzen Welt gesendet wurde, konnten die Forscher ihre Teleskope im September 2017 schnell in die Richtung drehen, in die das neue Signal entstand. Fermi machte die Forscher auf das Vorhandensein eines aktiven Blazars namens TXS-0506 + 056 im selben Teil des Himmels aufmerksam. Neue Beobachtungen bestätigten, dass der Blazar aufflammte und hellere als übliche Energiestöße ausstrahlte.
TXS ist größtenteils ein typischer Blazar. Es ist eines der 100 hellsten Blazare, die Fermi entdeckt hat. Obwohl die 99 anderen ebenfalls hell sind, haben sie keine Neutrinos in Richtung IceCube geschleudert. In den letzten Monaten hat sich TXS hundertmal stärker als in den Vorjahren entfacht, aufgehellt und gedimmt.
"Die Verfolgung dieses von IceCube erkannten hochenergetischen Neutrinos bis hin zu TXS 0506 + 056 ist das erste Mal, dass wir ein bestimmtes Objekt als wahrscheinliche Quelle eines solchen hochenergetischen Neutrinos identifizieren konnten", so Gregory Sivakoff von der Universität von Alberta in Kanada, sagte in einer Erklärung.
IceCube ist noch nicht fertig. Das neue Alarmsystem wird die Astronomen in den kommenden Jahren auf Trab halten. Das Observatorium hat eine geplante Lebensdauer von 20 Jahren, daher gibt es mindestens ein weiteres Jahrzehnt unglaublicher Entdeckungen vom Südpolobservatorium.
