Die Illustration eines Künstlers eines Blazars wie des kürzlich gefundenen beschleunigt Neutrinos und kosmische Strahlen auf enorme Geschwindigkeiten. Das supermassereiche Schwarze Loch in der Mitte der Akkretionsscheibe sendet einen schmalen, energiereichen Materiestrahl senkrecht zur Scheibe in den Raum.
(Bild: © DESY, Wissenschaftskommunikationslabor)
Astronomen haben zum ersten Mal ein hochenergetisches Neutrino auf seine kosmische Quelle zurückgeführt und damit ein jahrhundertealtes Rätsel gelöst.
Neutrinos sind nahezu masselose subatomare Teilchen, die keine elektrische Ladung haben und daher selten mit ihrer Umgebung interagieren. In der Tat strömen Billionen dieser "Geisterpartikel" jede Sekunde unbemerkt und ungehindert durch Ihren Körper.
Die meisten dieser Neutrinos kommen von der Sonne. Aber ein kleiner Prozentsatz, der sich extrem hoher Energien rühmt, ist aus dem Weltraum in unseren Waldhals geschossen. Die inhärente Eitelkeit von Neutrinos hat Astronomen bisher daran gehindert, den Ursprung solcher kosmischen Wanderer festzuhalten. [Ein Neutrino bis zu seiner Quelle verfolgen: Die Entdeckung in Bildern]
Beobachtungen des IceCube Neutrino Observatory am Südpol und einer Vielzahl anderer Instrumente ermöglichten es den Forschern, ein kosmisches Neutrino zu einem entfernten Blazar zu verfolgen, einer riesigen elliptischen Galaxie mit einem sich schnell drehenden supermassiven Schwarzen Loch im Herzen.
Und es gibt noch mehr. Kosmische Neutrinos gehen Hand in Hand mit kosmischen Strahlen, hochenergetisch geladenen Teilchen, die kontinuierlich in unseren Planeten eindringen. Die neuen Find-Pegs-Blazare sind also auch Beschleuniger für mindestens einige der sich am schnellsten bewegenden kosmischen Strahlen.
Astronomen haben sich darüber gewundert, seit kosmische Strahlen bereits 1912 entdeckt wurden. Sie wurden jedoch durch die geladene Natur der Teilchen vereitelt, die vorschreibt, dass kosmische Strahlen auf diese Weise und durch verschiedene Objekte gezerrt werden, wenn sie durch den Raum zoomen. Der Erfolg kam schließlich von der geradlinigen Reise eines Geisterpartikels eines Mitreisenden.
"Wir haben seit mehr als einem Jahrhundert nach Quellen für kosmische Strahlung gesucht und schließlich eine gefunden", sagte Francis Halzen, leitender Wissenschaftler am IceCube Neutrino Observatory und Professor für Physik an der Universität von Wisconsin-Madison, gegenüber Space. com. [Verrückte Physik: Die coolsten kleinen Teilchen in der Natur]
Eine Teamleistung
IceCube, das von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) verwaltet wird, ist ein engagierter Neutrino-Jäger. Die Anlage besteht aus 86 Kabeln, die sich in Bohrlöchern befinden, die sich etwa 2,5 Kilometer in das Eis der Antarktis erstrecken. Jedes Kabel enthält wiederum 60 "digitale optische Module" in Basketballgröße, die mit empfindlichen Lichtdetektoren ausgestattet sind.
Diese Detektoren sollen das charakteristische blaue Licht aufnehmen, das emittiert wird, nachdem ein Neutrino mit einem Atomkern interagiert. (Dieses Licht wird von einem durch die Wechselwirkung erzeugten Sekundärteilchen abgeworfen. Und falls Sie sich fragen: All das darüber liegende Eis verhindert, dass andere Teilchen als Neutrinos die Detektoren erreichen und die Daten verschmutzen.) Dies sind seltene Ereignisse. IceCube entdeckt nur ein paar hundert Neutrinos pro Jahr, sagte Halzen.
Die Einrichtung hat bereits große Beiträge zur Astronomie geleistet. Zum Beispiel hat IceCube 2013 erstmals Neutrinos von außerhalb der Milchstraße nachgewiesen. Die Forscher waren zu diesem Zeitpunkt nicht in der Lage, die Quelle dieser hochenergetischen Geisterpartikel zu bestimmen.
Am 22. September 2017 nahm IceCube jedoch ein weiteres kosmisches Neutrino auf. Es war extrem energiereich und hatte ungefähr 300 Teraelektronvolt - fast 50-mal mehr als die Energie der Protonen, die durch den stärksten Teilchenbeschleuniger der Erde, den Large Hadron Collider, zirkulieren.
Innerhalb von 1 Minute nach der Erkennung sendete die Einrichtung eine automatische Benachrichtigung, die andere Astronomen auf den Fund aufmerksam machte und Koordinaten an den Himmelsfleck weiterleitete, in dem sich die Quelle des Partikels zu befinden schien.
Die Community antwortete: Fast 20 Teleskope am Boden und im Weltraum durchsuchten diesen Bereich über das elektromagnetische Spektrum, von energiearmen Radiowellen bis zu energiereichen Gammastrahlen. Die kombinierten Beobachtungen führten den Ursprung des Neutrinos auf einen bereits bekannten Blazar namens TXS 0506 + 056 zurück, der etwa 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.
Zum Beispiel ergaben Follow-up-Beobachtungen mit verschiedenen Instrumenten - darunter das erdumlaufende Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA und das Cherenkov-Teleskop (MAGIC) für die atmosphärische Gammabbildung auf den Kanarischen Inseln - einen starken Ausbruch von Gammastrahlenlicht TXS 0506 + 056. [Gammastrahlenuniversum: Fotos vom Fermi-Weltraumteleskop der NASA]
Das IceCube-Team ging auch seine Archivdaten durch und fand mehr als ein Dutzend anderer kosmischer Neutrinos, die aus demselben Blazar zu stammen schienen. Diese zusätzlichen Partikel wurden von Ende 2014 bis Anfang 2015 von den Detektoren aufgenommen.
"Alle Teile passen zusammen", sagte Albrecht Karle, ein leitender IceCube-Wissenschaftler und Physikprofessor von UW-Madison, in einer Erklärung. "Die Neutrino-Fackel in unseren Archivdaten wurde zu einer unabhängigen Bestätigung. Zusammen mit den Beobachtungen der anderen Observatorien ist dies ein überzeugender Beweis dafür, dass dieser Blazar eine Quelle extrem energetischer Neutrinos und damit hochenergetischer kosmischer Strahlen ist."
Die Ergebnisse werden in zwei neuen Studien veröffentlicht, die heute (12. Juli) online in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden. Sie finden sie hier und hier.
Multimessenger Astrophysik auf dem Vormarsch
Blazare sind eine spezielle Art von superleuchtender aktiver Galaxie, die zwei Licht- und Teilchenstrahlen ausstößt, von denen einer direkt auf die Erde gerichtet ist. (Das ist teilweise der Grund, warum Blazare für uns so hell erscheinen - weil wir uns in der Linie des Jetfeuers befinden.)
Astronomen haben mehrere tausend Blazare im gesamten Universum identifiziert, von denen bisher noch kein Neutrino auf uns geschleudert wurde, wie es TXS 0506 + 056 ist.
"Diese Quelle hat etwas Besonderes, und wir müssen herausfinden, was es ist", sagte Halzen gegenüber Space.com.
Dies ist nur eine von vielen Fragen, die sich aus den neuen Ergebnissen ergeben. Zum Beispiel möchte Halzen auch den Beschleunigungsmechanismus kennen: Wie genau bringen Blazare Neutrinos und kosmische Strahlen auf solch enorme Geschwindigkeiten?
Halzen zeigte sich optimistisch, solche Fragen in relativ naher Zukunft zu beantworten, und verwies auf die Leistungsfähigkeit der "Multimessenger-Astrophysik" - die Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Arten von Signalen zur Abfrage des Kosmos -, die in den beiden neuen Studien gezeigt wurde.
Die Neutrino-Entdeckung folgt einem weiteren Meilenstein für Multimessenger: Im Oktober 2017 gaben Forscher bekannt, dass sie eine Kollision zwischen zwei superdichten Neutronensternen analysiert hatten, indem sie sowohl die elektromagnetische Strahlung als auch die Gravitationswellen beobachteten, die während des dramatischen Ereignisses emittiert wurden.
"Die Ära der Multimessenger-Astrophysik ist da", sagte NSF-Direktor France Cordova in derselben Erklärung. "Jeder Bote - von elektromagnetischer Strahlung über Gravitationswellen bis hin zu Neutrinos - gibt uns ein umfassenderes Verständnis des Universums und wichtige neue Einblicke in die mächtigsten Objekte und Ereignisse am Himmel."
