Ein Jahrhundert-Rätsel sei gelöst, so die Technische Universität München heute (12.07.18), denn es gebe erste Beweise für die Quelle von Neutrinos. Ice-Cube Wissenschaftlerin Elisa Resconi von der TU München und dem Max-Planck-Institut für Physik konnte mit einer Vielzahl von Kollegen nachweisen, dass ein Blazar mit der Katalognummer TXS 0506+056 die Quelle eines Neutrino ist. Der Blazar ist ein aktives Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie im Sternbild Orion, dessen hochenergetischer Teilchenstrom direkt in Richtung Erde zeigt.
Was sind Neutrinos?
Neutrinos sind extrem flüchtige, elektrisch neutrale Elementarteilchen, die in Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Die Teilchen mit sehr kleiner Masse wurden 1956 erstmals nachgewiesen. Sie entstehen bei Reaktionen, an denen Protonen beteiligt sind. Zwischen Neutrinos und anderer Materie gibt es so gut wie keine Wechselwirkung. Neutrinos können die Erde oder einen menschlichen Körper praktisch ungehindert durchdringen, ohne mit einem einzigen Atom zu kollidieren. Entsprechend schwierig ist der Nachweis der auch Geisterteilchen genannten Neutrinos in Experimenten.
IceCube soll Neutrinos aufspüren
Der weltgrößte Neutrino-Detektor IceCube ist zwei Kilometer tief im Südpoleis der Antarktis versenkt. Er verfügt über hochempfindliche Lichtsensoren, die die Neutrinos aus dem Weltall aufspüren sollen. Durch sie erhoffen sich Wissenschaftler mehr Informationen über Schwarze Löcher und weit entfernte Galaxien zu erhalten. Doch auch über die extragalaktischen Teilchen selbst soll das Neutrino-Teleskop Aufschluss geben.
Nach Angaben des Max-Planck-Instituts für Physik (MPI) zeichnet IceCube pro Tag etwa 200 Neutrino-Ereignisse auf. Die meisten dieser Neutrinos stammen aus der Sonne. Sie entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft und haben nur eine geringe Energie. Seit 2013 hat der Detektor bisher nur 82 höchstenergetische Neutrinos aufgespürt.
Höchstenergetisches Neutrino schlägt ein
Solch ein hochenergetisches kosmisches Teilchen ist am 22. September 2017 in den antarktischen Detektor eingeschlagen, mit sehr hoher Energie von circa 290 Teraelektronenvolt, so das MPI. Dies deutete für die Wissenschaftler darauf hin, dass es von einem fernen Himmelsobjekt stammt. Die Flugrichtung des Neutrinos konnten sie dank elektromagnetischer Strahlen herausfinden.
"Unsere Theorien besagen, dass Neutrinos immer zusammen mit Lichtteilchen (Photonen) entstehen. Photonen sind Licht, also elektromagnetische Strahlung, die wir mit Teleskopen beobachten können." Razmik Mirzoyan, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecher des MAGIC-Forschungsverbundes
Photonen führen zur Quelle
Sofort nach dem Neutrino-Einschlag wurden zahlreiche Beobachtungseinrichtungen weltweit alarmiert, um den Ursprungsort des Neutrinos herauszufinden. Das Weltall-Teleskop Fermi-LAT meldete daraufhin, dass die Flugroute des Neutrinos auf den bekannten Blazar TXS 0506+056 wies. Die Galaxie sendet energiereiche Gammastrahlen aus. Am Zwillingsteleskop auf der kanarischen Insel La Palma wurde festgestellt, dass es sich tatsächlich "um Gammastrahlung in einem sehr hohen Energiebereich von mindestens 400 Gigaelektonenvolt handelt", erklärt das Max-Planck-Institut für Physik in München weiter.
Neutrino-Ursprung Blazar TXS 0506+056
Blazar ist die Abkürzung für "blazing quasi stellar objects". Blazare sind eine Form von sehr aktiven galaktischen Kernen der Zentralregion einer Galaxie mit enormer Leuchtkraft. Ein Blazar ist also ein außerordentlich helles Objekt, das sehr weit von uns entfernt ist und vielfach mehr variable Strahlenenergie und Teilchen abgibt als andere Galaxien. Seine Jets, also Teilchen- und energiereiche Strahlungsströme, sind – von uns aus gesehen – auf die Erde gerichtet. Blazar TXS 0506+056 ist etwa 4,5 Milliarden Lichtjahre entfernt. In seinem Zentrum befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch, das "den Blazar zu einem wahren Energiepaket macht", erklärt das MPI.
Der Ursprung kosmischer Strahlung
Die aktuellen Beobachtungen helfen, so das Institut, die Frage zu beantworten, wie kosmische Strahlung entsteht. Bisher blieben ihre Quellen unentdeckt, weil positiv geladene Protonen von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt werden, sich nicht geradlinig bewegen und auf der Erde auftreffen. Im Gegensatz dazu sind Neutrinos und Photonen, also auch Gammastrahlen, ungeladen und erreichen uns ohne Umwege. Ihr Entstehungsort lässt sich daher eindeutig bestimmen.
Großangelegte internationale wissenschaftliche Kooperation
Maßgeblich beteiligt an dieser Entdeckung ist eine Forschergruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi (TU München, Max-Planck-Insitut für Physik) und dem Blazar-Experten Paolo Padovani von der Europäischen Südsternwarte (ESO). Die Wissenschaftler nutzten erstmals frei zugänglichen Archiv-Daten von "Open Universe", einer Initiative der Vereinten Nationen. Sie durchkämmten Daten von zahlreichen Teleskopen und charakterisierten Signale. Zunächst fanden sie 637 Objekte, von denen das IceCube-Neutrino hätte stammen können, heißt es in einer Mitteilung der TU München.
"Wir konnten aber schließlich zeigen, dass das Strahlungsprofil von TXS 0506+056 perfekt zu den Energien der Neutrinos passt, so dass wir alle anderen Quellen und insbesondere den Hauptkonkurrenten ausschließen konnten." Blazar-Experte Paolo Padovani, Europäische Südsternwarte (ESO)
IceCube-Kollaboration: 300 Wissenschaftler aus zwölf Ländern
Finanziert wird IceCube hauptsächlich von der National Science Foundation (NSF), USA. Betrieben wird es unter der Federführung der University of Wisconsin–Madison. Insgesamt arbeiten in der IceCube-Kollaboration rund 300 Wissenschaftler aus 49 Institutionen in zwölf Ländern zusammen. In Deutschland sind beteiligt: RWTH Aachen, Humboldt-Universität zu Berlin, Ruhr-Universität Bochum, TU Dortmund, Universität Erlangen-Nürnberg, Universität Mainz, Universität Münster, Technische Universität München und Universität Wuppertal. Das Forschungsprogramm von IceCube wird in Deutschland finanziert vom BMBF, der Helmholtz Gesellschaft, der DFG sowie mit weiteren Mitteln der beteiligten Institutionen.