Quelle: JGU 26. April 2023.

Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet?

Um den Rätseln des Universums auf die Spur zu kommen, bauen Physikerinnen und Physiker unvorstellbar große und zugleich unglaublich präzise Experimente an den exotischsten Orten der Welt. Prof. Dr. Sebastian Böser und Daniel Wenz von PRISMA+ nehmen die Schülerinnen und Schüler mit auf eine faszinierende Reise zu diesen Experimenten: Im Gletschereis der Antarktis hat das IceCube Experiment kosmische Neutrinos im Blick. Im Gran Sasso Gebirge, 1.400 Meter tief unter der Erde, ist das XENON Experiment auf der Suche nach Dunkler Materie. Dr. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie holt die Astrophysik ins Labor.

Die Rätsel des Universums stehen auch im Fokus der begleitenden Mitmach-Ausstellung »PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik«. Sie vermittelt die spannende Forschung bei PRISMA+ spielerisch, interaktiv und unterhaltsam.

Unser Universum

• Geheimnisvolle Dunkle Materie: Die dunkle Seite des Universums
  9-11 Uhr: Für die Mittelstufe
  Vortrag von Daniel Wenz
• Unfassbare Neutrinos: Die Vermessung der Geisterteilchen vom Labor bis zum Südpol
  11.15-13.15 Uhr: Für die Oberstufe
  Vortrag von Prof. Dr. Sebastian Böser
• Astrophysik im Labor: Ein Blick in die Milchstraße durch kosmischen Staub
  14-16 Uhr: Offen für Alle
  Vortrag von Dr. Jan Leitner

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

Anmeldung
Um Anmeldung wird gebeten bis zum 21. Mai 2023:
veranstaltungen(at)adwmainz.de

Treffpunkt
PLENARSAAL DER AKADEMIE
Geschwister-Scholl-Straße 2
55131 Mainz

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Flyer „Schule trifft Akademie“

Kosten
Die Veranstaltung ist ein kostenloses Angebot der Johannes Gutenberg-Universität, und der Akademie der Wissenschaft und der Literatur.

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Der Beitrag Physik & Schule: Den Rätseln des Universums auf der Spur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Technische Universität München 4. November 2022.

4. November 2022 – Das Universum ist voller Geheimnisse. Eines davon sind aktive Galaxien, in deren Zentrum sich gigantische Schwarze Löcher befinden. „Wir wissen bis heute nicht genau, welche Prozesse sich dort abspielen“, erklärt Elisa Resconi, Professorin für Experimental Physics with Cosmic Particles an der TUM. Ihr Team ist der Auflösung dieses Rätsels jetzt einen großen Schritt nähergekommen: In der Spiralgalaxie NGC 1068 haben die Astrophysiker*innen eine Quelle hochenergetischer Neutrinos aufgespürt.

Mit Teleskopen, die Licht, Gamma- oder Röntgenstrahlen aus dem All auffangen, ist es sehr schwierig, die aktiven Zentren von Galaxien zu erforschen, weil Wolken aus kosmischem Staub und heißem Plasma die Strahlung absorbieren. Dem Inferno am Rande Schwarzer Löcher entkommen nur Neutrinos, die so gut wie keine Masse und auch keine elektrische Ladung haben. Sie durchdringen den Raum, ohne durch elektromagnetische Felder abgelenkt oder absorbiert zu werden. Deshalb sind sie auch so schwer zu detektieren.

Die größte Hürde bei der Neutrino-Astronomie war bisher die Trennung des sehr schwachen Signals von dem starken Hintergrundrauschen durch Teilcheneinschläge aus der Erdatmosphäre. Erst die langjährigen Messungen des IceCube Neutrino Observatory und neue statistische Methoden ermöglichten Resconi und ihrem Team genügend Neutrino-Ereignisse für ihre Entdeckung.

Detektivarbeit im ewigen Eis
Das IceCube-Teleskop, das sich im Eis der Antarktis befindet, detektiert seit 2011 Leuchtspuren einfallender Neutrinos. „Aus ihrer Energie und ihrem Einfallswinkel können wir rekonstruieren, woher sie kommen“, erklärt TUM-Wissenschaftler Dr. Theo Glauch. „Die statistische Auswertung zeigt eine hochsignifikante Häufung von Neutrino-Einschlägen aus der Richtung, in der sich die aktive Galaxie NGC 1068 befindet. Damit können wir mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass die hochenergetische Neutrino-Strahlung aus dieser Galaxie kommt.“

Die Spiralgalaxie, 47 Millionen Lichtjahre entfernt, wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt. NGC 1068 – auch bekannt unter dem Namen Messier 77 – ist in Form und Größe unserer Galaxie ähnlich, hat aber ein leuchtend helles Zentrum, das heller strahlt als die gesamte Milchstraße, obwohl es nur in etwa so groß ist wie unser Sonnensystem. In diesem Zentrum befindet sich ein „aktiver Kern“: ein gigantisches Schwarzes Loch von etwa 100 Millionen Sonnenmassen, das große Mengen von Materie aufsaugt.

Doch wo und wie entstehen dort Neutrinos? „Wir haben ein klares Szenario“, antwortet Resconi. „Wir denken, dass die hochenergetischen Neutrinos das Ergebnis einer extremen Beschleunigung sind, die Materie in der Umgebung des Schwarzen Lochs erfährt und dadurch auf sehr hohe Energien beschleunigt wird. Aus Experimenten in Teilchenbeschleunigern wissen wir, dass hochenergetische Protonen Neutrinos erzeugen, wenn sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Mit anderen Worten: Wir haben einen kosmischen Beschleuniger gefunden.“

Neutrino-Observatorien für eine neue Astronomie
NGC 1068 ist die statistisch signifikanteste Quelle hochenergetischer Neutrinos, die bisher entdeckt wurde. Um auch schwächere und weiter entfernte Neutrino-Quellen lokalisieren und erforschen zu können, seien mehr Daten erforderlich, betont Resconi. Die Forscherin hat unlängst eine internationale Initiative für den Bau eines mehrere Kubikkilometer großen Neutrino-Teleskops im nordöstlichen Pazifik gestartet, das Pacific Ocean Neutrino Experiment, P-ONE. Es soll zusammen mit dem geplanten IceCube-Observatorium der zweiten Generation – IceCube-Gen2 – die Daten für eine künftige Neutrino-Astronomie liefern.

Originalpublikation:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395.

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• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

Der Beitrag Erstes Neutrino-Bild einer aktiven Galaxie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 4. November 2022.

Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat erstmals Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Galaxie NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, gefunden. NGC 1068 ist eine aktive Galaxie im Sternbild Cetus und einer der bekanntesten und am besten untersuchten Galaxien überhaupt. Sie wurde erstmals 1780 entdeckt, ist 47 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und kann mit einem großen Fernglas beobachtet werden. Die Ergebnisse, die heute in Science veröffentlicht werden, wurden in einem wissenschaftlichen Online-Webinar vorgestellt, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Medien aus der ganzen Welt teilnahmen.

Die Entdeckung wurde am von der National Science Foundation unterstützten IceCube-Neutrino-Observatorium gemacht, einem gewaltigen Neutrinoteleskop, das eine Milliarde Tonnen instrumentiertes Eis in einer Tiefe von 1,5 bis 2,5 Kilometern unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols umfasst. Dieses einzigartige Teleskop, das mit Hilfe von Neutrinos die entlegensten Bereiche unseres Universums erforscht, meldete die erste Beobachtung einer hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoquelle im Jahr 2018. Bei der Quelle, TXS 0506+056, handelt es sich um einen bekannten Blazar, der sich in der linken Schulter des Sternbilds Orion in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet. Damals war noch eine Bestätigung durch optische Teleskope notwendig, um die Quelle sicher zu identifizieren. Diesmal wurden jedoch über einen Zeitraum von 10 Jahren genug Neutrinos von IceCube alleine entdeckt.

„Ein einziges Neutrino kann eine Quelle ausmachen. Aber nur eine Beobachtung mit mehreren Neutrinos kann den verborgenen Kern der energiereichsten kosmischen Objekte aufdecken“, erläutert dazu Francis Halzen, Physikprofessor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher von IceCube. Er fügt hinzu: „IceCube hat etwa 80 Neutrinos mit einer Energie im Bereich von Teraelektronenvolt aus NGC 1068 gesammelt, die noch nicht ausreichen, um alle unsere Fragen zu beantworten, aber sie sind definitiv der nächste große Schritt zur Verwirklichung der Neutrinoastronomie.“

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Sebastian Böser und früher Prof. Dr. Lutz Köpke vom Institut für Physik und vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gehören bereits seit 1999 dem IceCube-Konsortium an, das auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Die Herkunft von Neutrinos bis in die Tiefen des Weltalls zurückverfolgen zu können – genau hierfür wurde IceCube ursprünglich geplant. Nach dieser langen Zeit ist es ein tolles Gefühl, unsere Ziele verwirklicht zu sehen. Wir sind sehr stolz, dass wir nach einer ganzen Reihe bemerkenswerter Resultate nun auch dieses herausragende Ergebnis als Kollaboration erreicht haben“, freut sich Prof. Dr. Sebastian Böser.

Neutrinos bewegen sich ungehindert im Weltall
Anders als Licht können Neutrinos in großer Zahl aus extrem dichten Umgebungen im Universum entweichen. Sie erreichen die Erde weitgehend ungestört von Materie und elektromagnetischen Feldern, die den extragalaktischen Raum durchdringen und behalten dabei ihre ursprüngliche Flugrichtung immer bei. Obwohl Wissenschaftler die Neutrinoastronomie bereits vor mehr als 60 Jahren ins Auge gefasst haben, ist der Nachweis der geisterhaften Teilchen aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie und Strahlung äußerst schwierig. Wenn er gelingt, könnten Neutrinos jedoch der Schlüssel sein, um Einblicke in die extremsten Objekte im Kosmos zu erhalten.

Wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist auch NGC 1068 eine Balkenspiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einem relativ kleinen zentralen Wulst. Im Gegensatz zur Milchstraße ist NGC 1068 eine aktive Galaxie, bei der die meiste Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, das Millionen Mal massiver ist als unsere Sonne und sogar noch massiver als das inaktive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. NGC 1068 ist eine Galaxie vom Typ Seyfert II die aus einem solchen Winkel betrachtet wird, dass der zentrale Bereich, in dem sich das Schwarze Loch befindet, verdeckt ist. In einer Seyfert-II-Galaxie verdeckt ein Torus aus Kernstaub den größten Teil der hochenergetischen Strahlung, die von der dichten Gas- und Teilchenmasse erzeugt wird, die sich langsam spiralförmig zum Zentrum der Galaxie bewegt.

In vielen Modellen würde man erwarten, dass die Neutrinos von hoch-energetischen Gamma-Strahlen begleitet werden. Dies wurde – in Übereinstimmung mit aktuellen Modellen – aber nicht beobachtet. „Neuere Modelle der Umgebung von Schwarzen Löchern in diesen Objekten legen nahe, dass Gas, Staub und Strahlung die Gammastrahlen blockieren sollten, die sonst die Neutrinos begleiten würden“, sagt Hans Niederhausen, ein Postdoktorand an der Michigan State University und Mitglied von IceCube. „Dieser Neutrinonachweis aus dem Kern von NGC 1068 wird unser Verständnis der Umgebung von supermassiven Schwarzen Löchern verbessern.“

Im Gegensatz zur Quelle TXS 0506+056, die nur für eine kurze Zeit aktiv war, sendet NGC 1068 einen kontinuierlichen Fluss von Neutrinos. „Ich denke, NGC 1068 könnte eine Referenzgalaxie für zukünftige Neutrinoteleskope werden“, sagt daher Theo Glauch, ein Postdoktorand an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied von IceCube. „Sie ist ein astronomisch bereits sehr gut untersuchtes Objekt. Die Neutrinos werden es uns ermöglichen, diese Galaxie auf eine völlig andere Weise zu sehen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.“

„Dieses Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung gegenüber einer früheren Studie über NGC 1068, die 2020 veröffentlicht wurde“, sagt Ignacio Taboada, ein Physikprofessor am Georgia Institute of Technology und Sprecher der IceCube Kollaboration. „Teils ist die Verbesserung auf optimierte Mess-Techniken , teils auf eine sorgfältige Aktualisierung der Detektorkalibrierung zurückzuführen. Die Arbeit der Teams für den Betrieb und die Kalibrierung des Detektors ermöglichte es die Neutrinorichtung besser zu rekonstruieren und so NGC 1068 genau lokalisieren zu können. Die Identifizierung dieser Quelle ist somit letztlich ein Ergebnis der harten Arbeit der IceCube-Kollaboration.“

„Das ist eine großartige Nachricht für die Zukunft unseres Fachgebiets. Es bedeutet, dass es mit einer neuen Generation von empfindlicheren Detektoren noch viel zu entdecken geben wird. Das zukünftige IceCube-Gen2-Observatorium könnte nicht nur viel mehr dieser extremen Teilchenbeschleuniger aufspüren, sondern auch ihre Untersuchung bei noch höheren Energien ermöglichen. Es ist, als ob IceCube uns eine Karte zu einer Schatzkammer übergeben hat“, sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY).

Mit den Neutrinomessungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 ist IceCube der Antwort auf die jahrhundertealte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher gekommen. Noch interessanter ist, dass diese Ergebnisse auch darauf hindeuten, dass es noch viele weitere ähnliche Objekte gibt, die noch nicht identifiziert wurden. „Die Enthüllung des undurchsichtigen Universums hat gerade erst begonnen, und die Neutrinos werden eine neue Ära der Entdeckungen in der Astronomie einleiten“, sagt Elisa Resconi, Professorin für Physik an der TUM.

Originalartikel:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068,”
The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395

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• Antarktis-Neutrinoteleskop IceCube

Der Beitrag IceCube-Neutrinos geben ersten Einblick in das Innere einer aktiven Galaxie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Für viele ist es ein Kindheitstraum: einmal den Winter am wohl unwirtlichsten Ort der Erde verbringen. Die Amundsen-Scott-Südpolstation wurde 1956 gegründet, seither stetig ausgebaut und sie ist das ganze Jahr über besetzt. Eine der wichtigsten Aufgaben der Station ist die astronomische Forschung, denn an kaum einem anderen Ort der Erdoberfläche ist die Luft so dünn und trocken. Doch der Betrieb der verschiedenen Observatorien mitten in der vereisten Antarktis ist herausfordernd und erfordert erfahrenes Personal.

In dieser Folge erzählt der Astrophysiker Robert Schwarz, wie er für eine US-Universität zum Südpol-Überwinterer wurde. Es geht um das erste Neutrinoexperiment, das ins antarktische Eis eingelassen wurde und Infrarotteleskope, die Blicke ins junge Universum ermöglichen. Der Betrieb brachte nicht nur Technik, sondern auch den Techniker an seine Belastungsgrenze. Robert Schwarz hat jetzt gemeinsam mit der Wissenschaftsjournalistin Felicitas Mokler ein Buch über seine Erfahrungen geschrieben, aus dem er hier erzählt.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Antarktis-Neutrinoteleskop IceCube
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Überwintern am Südpol erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität (JGU) Mainz 22. Oktober 2022.

22. Oktober 2022 – Seit 2010 sucht das IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol nach hochenergetischen Neutrinos aus dem Weltall. Das Experiment besteht aus 5.160 optischen Sensoren, den sogenannten digitalen optischen Modulen (DOMs), die bis zu 2,5 Kilometer tief in einem Kubikkilometer antarktischen Eises versenkt sind. Wenn ein Neutrino mit einem Molekül im Eis wechselwirkt, entsteht charakteristisches blaues Cherenkov-Licht. Dieses wandert durch das Eis und kann einige der DOMs erreichen, wo es nachgewiesen wird. Die Forschenden können dann die Energie und Richtung des Ursprungs-Neutrinos rekonstruieren; ein Prozess, der auf der Kenntnis der optischen Eigenschaften des Eises beruht.

Im Jahr 2013 meldete die IceCube-Kollaboration eine einzigartige Beobachtung, bei der die Helligkeit einer Lichtquelle im Eis von der Richtung des Lichts abhängt, aus der es beobachtet wird. Bislang haben Forscher versucht, diese sogenannte Anisotropie mit Variationen der durch Verunreinigungen verursachten Absorption und Streuung zu beschreiben – mit begrenztem Erfolg.

In einer aktuellen Studie, die heute bei der Zeitschrift The Cryosphere Discussions erschienen ist, berichtet die IceCube-Kollaboration erstmals über einen neuen optischen Effekt. Er ist das Ergebnis der doppelbrechenden Eigenschaften der länglichen Eiskristalle. Die neu gewonnenen Erkenntnisse flossen in ein neues, auf Doppelbrechung basierendes optisches Modell des Eises ein, welches die Interpretation der Lichtmuster, die sich aus den Teilchenwechselwirkungen im Eis ergeben, erheblich verbessert hat.

Es kommt auf die Eisstruktur an
Um frühere Versuche, die Anisotropie zu simulieren, zu verbessern, untersuchten die Forscher den Anisotropieeffekt genauer. Ihre Ergebnisse veranlassten sie zu der Annahme, dass die vielen zufällig angeordneten kleinen Kristalle, aus denen das Eis besteht – und nicht nur enthaltene Verunreinigungen – bei der beobachteten Anisotropie eine Rolle spielen.

„Dann erkannten wir, dass wir bei Annahme gekrümmter Lichtbahnen mit winzigen Ablenkungen von weniger als einem Grad pro Meter die IceCube-Daten plötzlich genau beschreiben können. Dies brachte die Dinge erst richtig ins Rollen.“, sagt Dr. Martin Rongen, Forscher am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und federführend bei der aktuellen Analyse. „Die nächste Frage war: Wie kommt diese Krümmung zustande? Die Antwort liegt in der Mikrostruktur des Eises: Denn in der Tat ergibt sich bei der Berechnung und Simulation der Lichtstreuung durch doppelbrechendes polykristallines Eis, wie es in IceCube vorkommt und wo die Kristalle im Durchschnitt entlang der Fließrichtung des Eises gestreckt sind, eine solche Ablenkung.“

Für die Studie simulierten die Forscher viele verschiedene Wege, die das Licht innerhalb des IceCube Detektors zurücklegen könnte – und legten dabei tausende unterschiedlicher Kristallkonfiguration im Eis zugrunde. Anschließend verglichen sie die simulierten Daten mit einem großen Kalibrierungsdatensatz. Dieser umfasst Daten von 60.000 LEDs, die an allen DOMs angebracht sind und konsistente Lichtpulse in das Eis aussenden. Aus dem Vergleich konnten die Forscher auf die durchschnittliche Form und Größe der Eiskristalle in IceCube schließen.

Um diese aufregende neue Entdeckung bei der Erforschung kosmischer Neutrinos nutzen zu können, erstellte die IceCube-Kollaboration neue Simulationen und passte die derzeitigen Rekonstruktionsmethoden an. Dieses neue Verständnis wird IceCube nicht nur dabei helfen, Neutrino-Wechselwirkungen noch besser zu rekonstruieren, sondern hat auch Auswirkungen auf das Gebiet der Glaziologie.

„Mich fasziniert der Gedanke, das Eis von Grund auf zu verstehen“, sagt Martin Rongen, „Eiskristalleigenschaften werden insbesondere untersucht, um die Mechanik des Eisflusses nachvollziehen zu können. Das wiederum ist Grundlage, um die antarktische Massenbilanz und den daraus resultierenden Anstieg des Meeresspiegels in einem sich ändernden Klima vorhersagen zu können.“

Originalartikel:
“In-situ estimation of ice crystal properties at the South Pole using LED calibration data from the IceCube Neutrino Observatory,” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al., The Cryosphere Discussions
https://tc.copernicus.org/preprints/tc-2022-174/

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• physikalische Grundlagenforschung
• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

Der Beitrag Das Eis verstehen: Mainzer Wissenschaftlerteam gelingt der Durchblick im diffusen Eis der Antarktis erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Würzburg 14. Juli 2022.

14. Juli 2022 – Die Erdatmosphäre wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Diese besteht aus elektrisch geladenen Teilchen mit Energien von bis zu 1020 Elektronenvolt. Das ist eine Million Mal mehr als die Energie, die im leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt erreicht wird, dem Large Hadron Collider bei Genf.

Die extrem energiereichen Teilchen kommen aus den Tiefen des Weltraums, sie haben Milliarden von Lichtjahren zurückgelegt. Woher kommen sie, was schießt sie mit so ungeheurer Wucht durch das Universum? Diese Fragen gehören zu den größten Herausforderungen der Astrophysik seit über einem Jahrhundert.

Die Geburtsstätten der kosmischen Strahlung erzeugen Neutrinos. Das sind neutrale Teilchen, die sich nur schwer nachweisen lassen. Sie haben fast keine Masse und treten kaum mit Materie in Wechselwirkung. Sie rasen durch das Universum und können Galaxien, Planeten und den menschlichen Körper fast spurlos durchqueren.

„Astrophysikalische Neutrinos entstehen ausschließlich in Prozessen, bei denen die kosmische Strahlung beschleunigt wird“, erklärt Astrophysik-Professorin Sara Buson von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Genau das macht diese Neutrinos zu einzigartigen Boten, die den Weg zur Lokalisierung der Quellen kosmischer Strahlung ebnen.

Artikel in Science löste kontroverse Debatte aus
Trotz der riesigen Datenmenge, die Astrophysiker gesammelt haben, ist die Zuordnung von hochenergetischen Neutrinos zu den astrophysikalischen Quellen, aus denen sie stammen, seit Jahren ein ungelöstes Problem. Sara Buson hat das immer als eine spannende Herausforderung betrachtet.

2017 brachten die Forscherin und weitere Kollegen von ihr in der Fachzeitschrift Science erstmals einen Blazar (TXS 0506+056) als mutmaßliche Neutrinoquelle ins Gespräch. Blazare sind aktive galaktische Kerne, die von supermassiven schwarzen Löchern angetrieben werden und viel mehr Strahlung aussenden als ihre gesamte Galaxie. Die Veröffentlichung löste eine wissenschaftliche Debatte darüber aus, ob es tatsächlich einen Zusammenhang zwischen Blazaren und hochenergetischen Neutrinos gibt.

Erfolg mit Multi-Messenger-Analysen
Nach diesem ersten ermutigenden Schritt begann die Gruppe von Professor Buson im Juni 2021 ein ehrgeiziges Multi-Messenger-Forschungsprojekt, das vom Europäischen Forschungsrat unterstützt wird. Dabei geht es darum, verschiedene Signale („messenger“, zum Beispiel Neutrinos) aus dem Universum zu analysieren. Das Hauptziel besteht darin, den Ursprung astrophysikalischer Neutrinos zu klären und möglicherweise Blazare als erste Quelle extragalaktischer hochenergetischer Neutrinos zu identifizieren.

Das Projekt zeigt nun einen ersten Erfolg: In der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters berichtet Sara Buson zusammen mit ihrer Gruppe, dem ehemaligen Postdoc Raniere de Menezes und mit Andrea Tramacere von der Universität Genf, dass Blazare mit einem noch nie dagewesenen Grad an Sicherheit mit astrophysikalischen Neutrinos in Verbindung gebracht werden können.

PeVatron-Blazare als extragalaktische Neutrinofabriken identifiziert
„Wir nutzen Neutrinodaten, die vom IceCube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis gewonnen wurden – dem empfindlichsten Neutrinodetektor, der derzeit in Betrieb ist – und einen Katalog von astrophysikalischen Objekten, die mit Sicherheit als Blazare identifiziert wurden“, sagt die JMU-Professorin.

„Wir haben eine Kreuzkorrelationsanalyse zwischen den Datenproben durchgeführt und starke Belege dafür gefunden, dass eine Untergruppe von Blazaren die beobachteten hochenergetischen Neutrinos erzeugt. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich dabei um einen Zufall handelt, ist sehr gering und liegt bei nur 6 × 10^-7, also bei weniger als eins zu einer Million. Die Ergebnisse liefern zum ersten Mal einen unwiderlegbaren Beobachtungsbeweis dafür, dass die Untergruppe der PeVatron-Blazare extragalaktische Neutrinoquellen und damit Beschleuniger der kosmischen Strahlung sind.“

Laut Sara Buson ist die Entdeckung dieser hochenergetischen Neutrinofabriken ein Meilenstein für die Astrophysik: „Sie bringt uns einen Schritt weiter bei der Lösung des jahrhundertelangen Rätsels um den Ursprung der kosmischen Strahlung.“

Nur die Spitze des Eisbergs
Trotz dieses Erfolges ist sich die JMU-Forscherin bewusst, dass es noch viel zu tun gibt. Sie zitiert den Wissenschaftler Blaise Pascal aus dem 17. Jahrhundert: „Das Wissen ist wie eine Kugel: Je größer ihr Volumen ist, desto größer ist ihr Kontakt mit dem Unbekannten.“

Das gilt auch für Busons Forschung: „Was wir beobachten, ist nur die Spitze des Eisbergs, das sind möglicherweise nur die hellsten und effizientesten Neutrino-Emitter.“ In der Tat, sagt sie, habe sich die statistische Analyse nur auf die vielversprechendsten IceCube-Neutrinodaten konzentriert. Buson erwartet, dass anspruchsvollere Analysetechniken weitere Entdeckungen bringen werden.

Die PeVatron-Blazare sind eine neue Herausforderung für die Multi-Messenger-Astrophysik, so Buson: „Was macht diese Gruppe von Blazaren so besonders unter den Tausenden von vergleichbaren Objekten in unserem Universum? Diese und andere Fragen werden unsere Multi-Messenger-Gemeinschaft in den kommenden Jahrzehnten beschäftigen.“

Publikation
“Beginning a journey across the Universe: the discovery of extragalactic neutrino factories“, Astrophysical Journal Letters, 14. Juli 2022, Open Access, doi.org/10.3847/2041-8213/ac7d5b
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac7d5b
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac7d5b/pdf

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• Neutrinos

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Quelle: DESY 3. Juni 2022.

3. Juni 2022 – In einer fernen Galaxie im Sternbild Herkules hat ein gigantisches Schwarzes Loch einen Riesenstern zerrissen. Das zeigen umfangreiche Beobachtungen mit mehreren Observatorien, über die ein internationales Forschungsteam unter DESY-Führung im Fachblatt „Physical Review Letters“ berichtet. Die kosmische Katastrophe produzierte nach einigen Monaten ein gleißendes „Lichtecho“ im Infrarotbereich. Zudem hat das Neutrinoteleskop IceCube in der Antarktis möglicherweise ein Teilchen des zerrissenen Sterns aufgefangen.

Die sogenannte Gezeitenkatastrophe ereignete sich in einer 4,4 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie, in deren Zentrum ein Schwarzes Loch mit der 35-millionenfachen Masse unserer Sonne haust. Diesem Massemonster ist eine Riesensonne zu nahe gekommen und durch die Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs in Stücke gerissen worden. „Die Gezeitenkräfte entstehen, indem das Schwarze Loch an der Vorderseite des Sterns stärker zieht als an der Rückseite“, erläutert der Hauptautor der Veröffentlichung, Simeon Reusch von DESY. „Durch diese Differenz wird die Riesensonne zunächst in die Länge gezogen, bis sie schließlich zerreißt.“

Die Sternentrümmer formen um das Schwarze Loch eine sogenannte Akkretionsscheibe – ähnlich wie Wasser in einer Badewanne einen Strudel bildet, wenn man den Stöpsel zieht. Bevor die Sternmaterie schließlich auf Nimmerwiedersehen im Schwarzen Loch verschwindet, kreist sie wie das Wasser über dem Badewannenabfluss immer schneller, heizt sich dabei enorm auf und fängt an, hell zu leuchten. „Diese Gezeitenkatastrophe war möglicherweise sogar das leuchtstärkste vorübergehende kosmische Phänomen, das jemals beobachtet worden ist“, betont Ko-Autor Marek Kowalski von DESY. Aufgrund der enormen Helligkeit des Ereignisses gehen die Forscherinnen und Forscher davon aus, dass der zerrissene Stern eine Riesensonne gewesen sein muss, damit sich genug leuchtende Materie auf der Akkretionsscheibe sammeln konnte.

Die intensive Strahlung hat einen Hohlraum in die riesige Staubwolke gebrannt, von der das Schwarze Loch in der fernen Galaxie umgeben ist. Im Umkreis von rund einem halben Lichtjahr verdampfte der Staub dabei sofort. Dahinter heizte ihn die Strahlung extrem auf, sodass er schließlich hell im Infrarotbereich zu leuchten begann. Durch geometrische Effekte erreichte dieses Lichtecho erst ein Jahr nach dem Ende des Riesensterns sein Maximum. „Das Lichtecho im Infrarotbereich ist eine Schlüsselsignatur der Gezeitenkatastrophe“, berichtet Reusch. „Damit hat sich die Natur dieses aufleuchtenden Objekts verraten.“

Das Phänomen war zuerst mit dem Observatorium Zwicky Transient Facility (ZTF) beobachtet worden, das speziell nach solchen vorübergehenden Ereignissen („Transients“) Ausschau hält. Astronominnen und Astronomen hatten dann die Himmelsposition mit zahlreichen anderen Instrumenten bei verschiedenen Wellenlängen ins Visier genommen, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Beobachtungen mit dem Infrarotsatelliten „WISE“ der US-Raumfahrtbehörde NASA enthüllten rund ein Jahr nach dem ursprünglichen Ausbruch das Lichtecho.

Am Südpol ging dem Observatorium IceCube zudem ein energiereiches Neutrino ins Netz, das von dem Ereignis stammen könnte. Damit hätte IceCube möglicherweise zum zweiten Mal ein Teilchen von einem zerrissenen Stern aufgefangen – ein Erfolg der noch jungen Disziplin der Neutrino-Astronomie. „Neutrinos liefern uns Einblicke in kosmische Objekte, die mit Licht und anderer elektromagnetischer Strahlung nicht möglich sind“, erläutert Kowalski, der die Neutrino-Astronomie bei DESY leitet. „Mit elektromagnetischer Strahlung schauen wir nur auf die Oberfläche eines Objekts. Neutrinos erreichen uns jedoch ungehindert aus dem Inneren.“

Insbesondere die Kombination aus Beobachtungen im Bereich der elektromagnetischen Strahlung mit Neutrinos ermöglichen neue Erkenntnisse. Die Forscherinnen und Forscher bezeichnen das als Multi-Messenger-Astronomie, weil die Boten („Messenger“) in beiden Bereichen ganz unterschiedlicher Natur sind. So zeigen die Messungen im Bereich der Radiowellen, dass es sich bei dem Phänomen um einen kosmischen Teilchenbeschleuniger handelt. Die davon unabhängige Messung des Neutrinos untermauert diese Beobachtung und deutet auf einen Beschleuniger von Atomkernen, nicht der sehr viel leichteren Elektronen. Genaueren Aufschluss sollen weitere Analysen der Messdaten von IceCube bringen.

An der Arbeit waren 49 Forscherinnen und Forscher von 30 Institutionen beteiligt.

Originalveröffentlichung
Candidate Tidal Disruption Event AT2019fdr Coincident with a High-Energy Neutrino; Simeon Reusch et al.; „Physical Review Letters“, 2022; Preprint: https://arxiv.org/abs/2111.09390

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

18. Oktober 2021 – Seit Jahrzehnten gehen Physikerinnen und Physiker davon aus, dass die derzeit beste Theorie zur Beschreibung der Teilchenphysik – das „Standardmodell“ – nicht ausreicht, um unser Universum mit all seinen Facetten zu erklären. Auf der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells könnten schwer fassbare Teilchen, so genannte Neutrinos, den Weg weisen. Sie werden auch als „Geisterteilchen“ bezeichnet, weil sie so selten mit Materie wechselwirken, dass sie so gut wie alles durchdringen können. Auf ihrem Weg durch die Materie können sie jedoch je nach Neutrino-Sorte – es gibt drei verschiedene – „verlangsamt“ werden: Dies wird „Materieeffekt“ genannt.

Theorie-Modelle, die über das Standardmodell hinausgehen, werden als BSM-Modelle bezeichnet, wobei BSM für „Beyond Standard Model“ steht. Viele dieser Modelle sagen für Neutrinos zusätzliche, bisher unbekannte Wechselwirkungen mit Materie voraus. Unterschiedliche Neutrino-Sorten können von diesen Wechselwirkungen unterschiedlich stark betroffen sein. Auch hängt die Stärke der daraus resultierenden Materieeffekte von der Dichte der Materie ab, welche die Neutrinos durchqueren. Sollten Forschende Materieeffekte beobachten, die sich als „Nicht-Standard-Wechselwirkungen“ (NSI für nonstandard interactions) erklären lassen, könnte dies auf neue Physik hinweisen.

Das Neutrinoteleskop IceCube besteht aus zahlreichen Lichtsensoren tief im Antarktischen Gletschereis in der Nähe des Südpols.

IceCube wurde gebaut, um die Lichtsignaturen von Neutrinos aus dem Weltall zu messen und neue Erkenntnisse zu deren Eigenschaften und Quellen zu gewinnen. Im Zentrum des riesigen Detektors, der insgesamt einen Kubikkilometer Gletschereis umfasst, gibt es eine Gruppe von dichter angeordneten Sensoren, die DeepCore genannt wird. Dieser Teil von IceCube ist empfindlich für Neutrinos mit niedrigerer Energie, die in der Erdatmosphäre erzeugt und anhand derer die Effekte von NSI deutlicher sichtbar werden. In einem gerade in Physical Review D veröffentlichten Artikel beschreibt die IceCube-Kollaboration eine Analyse, in der sie DeepCore-Daten aus drei Jahren Messzeit untersuchte, um festzustellen, ob atmosphärische Neutrinos zusätzliche Wechselwirkungen mit Materie haben. Die neue Analyse setzt erstmals Grenzen für alle Parameter, die zur Beschreibung von NSI verwendet werden. Dies ist eine Verbesserung gegenüber früheren Analysen, die sich nur auf einen NSI-Parameter beschränkten, für den IceCube am empfindlichsten ist.

Wertvolle Botschafter für neue Physik
„Atmosphärische Neutrinos bieten uns eine großartige Möglichkeit, zu testen, ob Neutrinointeraktionen jenseits des Standardmodells existieren, weil die Neutrinos durch die Erde hindurch fliegen, einschließlich ihres Zentrums, das eine sehr hohe Materiedichte hat“, sagt Elisa Lohfink, Doktorandin an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und federführend an der aktuellen Veröffentlichung beteiligt. Änderungen in der Materiedichte beeinflussen direkt die Oszillationsmuster der Neutrinos – also die Art und Weise, wie Neutrino-Sorten sich ineinander umwandeln oder „oszillieren“ – und damit auch, welche Sorten von Neutrinos im Detektor ankommen. DeepCore ist aufgrund der großen Anzahl atmosphärischer Neutrinos, die es jedes Jahr nachweist, empfindlich für diese Materieeffekte.

In der von Thomas Ehrhardt, ebenfalls Doktorand an der JGU, geleiteten Analyse untersuchte das Forscherteam die Oszillationsmuster von Neutrinos, die aus allen Richtungen bei DeepCore ankamen. Sie analysierten, ob die Muster besser mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmten – oder besser mit Modellen, die neue Wechselwirkungen vorsehen. Konkret überprüften sie dies anhand von fünf effektiven Parametern, welche die Auswirkungen der zusätzlichen Wechselwirkungen auf die einzelnen Neutrino-Sorten darstellen. Die Forscherinnen und Forscher konnten so durch Testen zahlreicher Hypothesen die Bereiche für die effektiven NSI-Parameter einschränken.

Zunächst untersuchten Ehrhardt und seine Kollegen jeden der effektiven Parameter separat. Komplett freie NSI – wobei also alle Parameter gleichzeitig eine Rolle spielen können – wurden anschließend zusätzlich untersucht. Da die Analyse weitgehend unabhängig von den zugrundeliegenden Modellen war, konnten die Forscher NSI einschränken, ohne sich auf die Richtigkeit eines bestimmten Modells zu verlassen.

Im Ergebnis war die IceCube Kollaboration in der Lage, jeden der fünf NSI-Parameter einzeln mit einer Empfindlichkeit einzuschränken, die mindestens mit den Grenzwerten aus globalen Analysen vergleichbar ist – eine Leistung, die Lohfink als „beispiellos“ bezeichnet. Noch wichtiger, so die Forscher, ist die Erkenntnis, dass IceCube nun Modelle testen kann, in denen alle NSI Parameter eine Rolle spielen und gleichzeitig betrachtet werden müssen. „Soweit wir wissen, gibt es kein anderes Experiment auf der Welt, das dies mit einer einzigen Messung schafft“, sagt Sebastian Böser, Professor an der JGU und Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA+. „So können wir eine noch nie dagewesene Bandbreite von Modellen für neue Physik im Neutrinosektor testen.“ Das Ergebnis ist eine bedeutende Verbesserung gegenüber früheren IceCube-Analysen, bei denen nur ein NSI-Parameter untersucht wurde.

Das Forscherteam hofft, dass der Rest der Neutrino-Community ihre Ergebnisse aufgreift und in die globalen Analysen einbezieht. Lohfink und ihre Kollegen arbeiten bereits an einer Folgeanalyse mit einer viel größeren Datenmenge – die aus acht statt drei Jahren stammt – und einer viel besseren Empfindlichkeit. Sie hoffen, bald noch genauere Grenzwerte für alle NSI Parameter vorlegen zu können.

„Langfristig wird das IceCube-Upgrade für diese Art der Analyse völlig neue Möglichkeiten eröffnen“, sagt Böser. „Das Upgrade wird nicht nur für eine bessere Kalibrierung sorgen und systematische Unsicherheiten reduzieren, sondern es wird uns auch erlauben, die Neutrino-Oszillationen sehr viel besser aufzulösen und damit mögliche Abweichungen vom Standardmodell viel deutlicher zu sehen. Diese Aussicht begeistert mich!“

Veröffentlichung:
The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al. “All-flavor constraints on nonstandard neutrino interactions and generalized matter potential with three years of IceCube DeepCore data” Phys. Rev. D 104, 072006, 15. Oktober 2021
DOI: 10.1103/PhysRevD.104.072006

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Neutrinos

Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

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Quelle: RWTH.

Am 6. Dezember 2016 wurde im IceCube Neutrino Observatorium in der Antarktis ein extrem hochenergetisches Neutrino gemessen, das überraschende Rückschlüsse auf fundamentale Teilchenphysik erlaubt. Schon die Energie von 6,3 Peta-Elektronenvolt ist rekordverdächtig und weist auf einen Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hin. Auch kann mit diesem Ereignis erstmalig eine Teilchenreaktion bestätigt werden, die von Nobelpreisträger Sheldon Glashow schon im Jahr 1960 vorhergesagt wurde. Die Forschungsergebnisse des internationalen Teams wurden heute unter dem Titel „Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube“ in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Hieran waren auch maßgeblich RWTH-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt.

Die Messung von Neutrinos ist ein schwieriges Unterfangen, für das riesige Detektoren mit hoher Sensitivität und Messgenauigkeit erforderlich sind. Das IceCube Neutrino Observatorium befindet sich am geographischen Südpol und ist das weltweit größte Instrument seiner Art. Mit Hilfe von etwa 5000 ultra-sensitiven Lichtsensoren, die tief in das antarktische Eis eingelassen sind, wird ein Volumen von 1 Kubikkilometer seit 2010 rund um die Uhr überwacht. Etwa alle zehn Minuten wird ein Neutrino registriert. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Neutrinos, die in der Erdatmosphäre entstehen. Besonders hochenergetische Neutrinos entstehen jedoch auch in extremen Umgebungen im Universum, zum Beispiel in der Nähe massiver schwarzer Löcher. Seit Beginn der Aufzeichnungen konnten bereits einige hundert kosmische Neutrinos mit IceCube nachgewiesen werden und im Jahr 2017 sogar überzeugende Hinweise auf den Quasar TXS 0506+056 als kosmische Neutrinoquelle gefunden werden. Selbst für diese Neutrinos, ist jedoch die Energie des am 6. Dezember 2016 beobachteten Neutrinos spektakulär. „Neutrinoereignisse mit so hoher Energie sind im Detektor nicht zu übersehen, aber sie passieren nur alle paar Jahre“; analysiert Professor Christopher Wiebusch vom III. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen und Leiter der Aachener IceCube-Gruppe. IceCube hat in elf Jahren nur drei Ereignisse mit mehr als 5 Peta-Elektronenvolt (PeV) Energie aufgezeichnet. Ein PeV ist ungefähr 100-mal hochenergetischer als die leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger wie zum Beispiel die Protonenstrahlen des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN in Genf.

Bei der gemessenen Energie von 6,3 PeV horchen Elementarteilchenphysiker auf: Dies ist genau die Energie, bei der Neutrinos mit hundertfach verstärkter Wahrscheinlichkeit wechselwirken, wenn es in der Natur einen Resonanzprozess von Anti-Elektronneutrinos mit atomaren Elektronen gibt. Dieser Prozess wurde schon im Jahr 1960 von Sheldon Glashow, Begründer des heutigen Standardmodells der Elementarteilchenphysik und Nobelpreisträger, vorhergesagt, konnte aber auf Grund der hohen Energie bisher nicht experimentell bestätigt werden. Dr. Christian Haack: „Wir haben nicht nur eines der höchstenergetischsten jemals gemessenen Neutrinos beobachtet, das somit klar kosmischen Ursprungs ist, sondern auch eine seit Jahrzehnten offene Frage der Elementarteilchenphysik geklärt. Dadurch gibt es nun ein neues experimentelles Verfahren, mit dem wir kosmische Anti-Neutrinos von Neutrinos unterscheiden können. So werden Aussagen über die kosmischen Teilchenbeschleuniger möglich.“ Haack promovierte hierzu an der RWTH Aachen und forscht aktuell an der TU München.

Internationale Zusammenarbeit
Die Messung wurde maßgeblich durch eine internationale Teamarbeit junger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen innerhalb der internationalen IceCube Kollaboration möglich; von Lu Lu von der Universität Chiba in Japan (inzwischen Universität Madison, USA), Tianlu Yuan von der Universität Madison, und Christian Haack. Da die Neutrinoreaktion knapp außerhalb des beobachteten Eis-Volumens stattfand, war die zweifelsfreie Rekonstruktion ein mehrjähriger Prozess. Insbesondere die Entdeckung von charakteristischen in den Detektor hineinreichenden Einzelsignalen durch das RWTH-Team war ein Schlüssel zum Erfolg. So konnte die Ursprungsrichtung des Neutrinos genau bestimmt und auch die Auswertung des Resonanz-Prozesses bestätigt werden. Terrestrische Untergrundsignale oder eine Fehlmessung wurden mit sehr großer Sicherheit ausgeschlossen. Auch die Möglichkeit einer anderen Neutrino-Reaktion konnte bis auf wenige Prozent ausgeschlossen werden. Ob die Gewissheit weiter verbessert werden kann müssen nun zukünftige Messungen zeigen. Da das Universum offensichtlich Neutrinos ausreichender Energie liefert, ist es nur eine Frage der Zeit, bis weitere Reaktionen dieser Art beobachtet werden. Glashow, inzwischen Emeritus der Universität Boston: „Bisher ist es nur eins, eines Tages werden es mehr sein.“

Das IceCube Neutrino Observatorium
IceCube wurde als internationale Kollaboration von etwa 400 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an 53 Forschungseinrichtungen in zwölf Ländern gebaut und wird von diesen auch gemeinschaftlich betrieben. Die Federführung haben die University of Wisconsin–Madison (USA) und die National Science Foundation (USA). Mit Unterstützung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) beteiligen sich aus Deutschland mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an den Universitäten RWTH Aachen, HU Berlin, RU Bochum, TU Dortmund, FAU Erlangen, JGU Mainz, TU München, WWU Münster, BU Wuppertal sowie den beiden Helmholtz-Zentren Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Für die Zukunft gibt es große Pläne: So werden in den nächsten Jahren in einem ersten Schritt, dem IceCube Upgrade, neue Photosensoren zentral in IceCube eingebracht, um die Messgenauigkeit zu verbessern. Danach soll bis Ende des Jahrzehnts im Rahmen des IceCube-Gen2 Projektes das Volumen von IceCube fast verzehnfacht werden, wodurch sich dann die Zahl gemessener Neutrinoreaktionen entsprechend vergrößert. „Mit IceCube ist uns erstmalig der Nachweis der Glashow-Resonanz gelungen und mit IceCube-Gen2 werden wir die Reaktion nutzen können, den Fluss von kosmischen Anti-Elektron-Neutrinos genau zu vermessen“, sagt Professor Dr. Marek Kowalski vom DESY, der die Vorbereitungen von IceCube-Gen2 koordiniert. „Das wird uns einen ganz neuen Zugang liefern, die wenig bekannten Produktionsmechanismen der hochenergetischen kosmischen Neutrinos zu verstehen.“

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Quelle: DESY.

Ein geisterhaftes Elementarteilchen aus einem zerrissenen Stern hat ein internationales Forschungsteam auf die Spur eines gigantischen kosmischen Teilchenbeschleunigers gebracht: Das sogenannte Neutrino ließ sich zu einem supermassereichen Schwarzen Loch in einer fernen Galaxie zurückverfolgen, dem der Stern zu nahe gekommen und dann von dessen kolossaler Schwerkraft zerstört worden war. Es handelt sich um das erste Teilchen, das mit einer derartigen Gezeitenkatastrophe („Tidal Disruption Event“) verknüpft werden konnte. Die Beobachtung belegt, dass diese wenig verstandenen kosmischen Katastrophen energiereiche Teilchenbeschleuniger antreiben könnten, wie das Team um DESY-Forscher Robert Stein im Fachblatt „Nature Astronomy“ berichtet. Die Arbeit zeigt auch das Potenzial der sogenannten Multi-Messenger-Astronomie, also der Beobachtung des Kosmos mit Hilfe verschiedener Boten wie Photonen (Lichtteilchen) und Neutrinos.

Das Neutrino hatte seine Reise vor rund 700 Millionen Jahren begonnen, in etwa zur der Zeit, als die ersten Tiere sich auf der Erde entwickelten. So lang dauerte der Flug von der namenlosen Galaxie mit der Katalognummer 2MASX J20570298+1412165 im Sternbild Delphin. Die Masse des gigantischen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie schätzen die Forscherinnen und Forscher auf die von rund 30 Millionen Sonnen. „Die Schwerkraft wird stärker und stärker, je näher man einem Objekt kommt. Das bedeutet auch, dass das Schwarze Loch an der etwas näheren Vorderseite des Sterns stärker gezogen hat als an seiner etwas weiter entfernten Rückseite“, erläutert Stein. „Die Differenz, die den Stern gedehnt hat, heißt Gezeitenkraft, und je näher der Stern dem Schwarzen Loch kommt, desto extremer wird er in die Länge gezogen. Irgendwann reißt es den Stern auseinander, dann haben wir eine Gezeitenkatastrophe. Es ist im Prinzip derselbe Prozess, der auf der Erde für Ebbe und Flut sorgt, aber zum Glück für uns zieht der Mond nicht stark genug an der Erde, um sie auseinanderzureißen.“

Rund die Hälfte der Sternmaterie in der fernen Galaxie wurde nach der Gezeitenkatastrophe direkt ins All geschleudert, der Rest sammelte sich auf einer wirbelnden Scheibe um das Schwarze Loch. Diese sogenannte Akkretionsscheibe ähnelt dem Strudel über dem Abfluss einer Badewanne. Bevor die Materie daraus auf Nimmerwiedersehen im Schwarzen Loch verschwindet, wird sie heißer und heißer und leuchtet schließlich gleißend hell auf. Dieses Leuchten hat das Observatorium Zwicky Transient Facility (ZTF) auf dem kalifornischen Mount Palomar am 9. April 2019 zuerst entdeckt.

Ein halbes Jahr später, am 1. Oktober 2019, registrierte das unterirdische Neutrinoteleskop IceCube im ewigen Eis des Südpols ein extrem energiereiches Neutrino aus der Richtung der Gezeitenkatastrophe. „Das Teilchen war in das Antarktische Eis mit einer bemerkenswerten Energie von mehr als 100 Tera-Elektronenvolt gerauscht“, berichtet DESY-Ko-Autorin Anna Franckowiak, die heute als Professorin an der Universität Bochum arbeitet. „Zum Vergleich: Das ist mindestens die zehnfache Teilchenenergie, die der größte Teilchenbeschleuniger der Erde erreichen kann, der Large Hadron Collider am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf.“

Extreme Leichtgewichte
Die extrem leichtgewichtigen Neutrinos wechselwirken fast nie und fliegen mühelos durch Wände und sogar ganze Planeten oder Sterne, ohne eine Spur zu hinterlassen. Daher werden sie auch als Geisterteilchen bezeichnet, und bereits der Nachweis eines einzigen energiereichen Neutrinos ist eine bemerkenswerte Beobachtung. Die Auswertung zeigt dabei lediglich eine Wahrscheinlichkeit von eins zu 500, dass dieses spezielle Neutrino nur zufällig aus der Richtung der Gezeitenkatastrophe gekommen ist. Die Beobachtung rief weitere Teams auf den Plan, die das Ereignis mit zahlreichen Instrumenten quer durch das elektromagnetische Spektrum untersuchten, von Radiowellen bis Röntgenstrahlen.

„Es ist das erste Neutrino von einer Gezeitenkatastrophe, und es liefert uns wertvolle Hinweise“, erläutert Stein. „Gezeitenkatastrophen sind bislang wenig verstanden. Der Neutrino-Fund weist auf die Existenz einer zentralen, mächtigen Maschinerie nahe der Akkretionsscheibe, die schnelle Teilchen ausspuckt. Und die kombinierte Analyse der Daten der Radio-, optischen und Ultraviolett-Teleskope belegt zusätzlich, dass Gezeitenkatastrophen als gigantische Teilchenbeschleuniger funktionieren können.“

Die Beobachtungen lassen sich dabei am besten mit einem Modell erklären, wie es der Leiter der theoretischen Astroteilchenphysik bei DESY, Walter Winter, und seine Kollegin Cecilia Lunardini von der Arizona State University in einer separaten Arbeit in derselben Ausgabe von „Nature Astronomy“ präsentieren. Dabei bilden sich energiereiche Ströme von Materie, die nach oben und unten aus dem System schießen. „Das Neutrino ist relativ spät aufgetaucht, ein halbes Jahr nachdem das Sternenmahl des Schwarzen Lochs begonnen hatte“, erläutert Winter. „Unser Modell erklärt diesen zeitlichen Ablauf auf natürliche Weise.“

Der kosmische Beschleuniger spuckt demnach verschiedene Arten Teilchen aus, abgesehen von Neutrinos und Photonen sind diese jedoch alle elektrisch geladen und werden daher von intergalaktischen Magnetfeldern auf ihrer Reise durchs All abgelenkt. Nur die elektrisch neutralen Neutrinos können wie das Licht (Photonen) auf einer geraden Linie von der Quelle zur Erde reisen und lassen sich zurückverfolgen. Sie sind damit wertvolle Boten aus derartigen Systemen.

„Die kombinierten Beobachtungen demonstrieren die Stärke der Multi-Messenger-Astronomie“, betont Ko-Autor Marek Kowalski, Leiter der Neutrino-Astronomie bei DESY und Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin. „Ohne den Nachweis der Gezeitenkatastrophe wäre das Neutrino nur eines von vielen, und ohne das Neutrino wäre die Beobachtung der Gezeitenkatastrophe nur eine von vielen. Nur durch die Kombination von beidem konnten wir den kosmischen Teilchenbeschleuniger aufspüren und etwas über die Prozesse in seinem Inneren lernen.“ Die Verbindung zwischen dem energiereichen Neutrino und der Gezeitenkatastrophe war durch ein Computerprogramm namens AMPEL aufgespürt worden, das bei DESY speziell für den Abgleich von ZTF- und IceCube-Beobachtungen entwickelt worden war.

Spitze des Eisbergs?
Die Zwicky Transient Facility ist darauf ausgelegt, Hunderttausende Sterne und Galaxien in einer einzigen Aufnahme zu beobachten und den Nachthimmel besonders schnell zu durchsuchen. Dank seines großen Gesichtsfelds kann das 1,3-Meter-Samuel-Oschin-Teleskops der ZTF den kompletten Nachthimmel in nur drei Nächten komplett beobachten und so deutlich mehr plötzlich aufleuchtende oder in der Helligkeit schwankende Objekte aufspüren als alle optischen Durchmusterungen zuvor. „Seit Beginn der Untersuchungen im Jahr 2018 haben wir mehr als 30 Gezeitenkatastrophen aufgespürt und damit die Zahl der bekannten derartigen Phänomene mehr als verdoppelt“, sagt Ko-Autor Sjoert van Velzen vom Observatorium Leiden in den Niederlanden. „Als wir feststellten, dass die zweithellste Gezeitenkatastrophe, die wir beobachtet haben, auch die Quelle eines von IceCube registrierten energiereichen Neutrinos ist, waren wir begeistert!“

„Wir sehen hier vielleicht erst die Spitze des Eisbergs, künftig erwarten wir viele weitere solcher Verbindungen zwischen energiereichen Neutrinos und ihren Quellen“, betont IceCube-Chefwissenschaftler Francis Halzen, Professor an der Universität von Wisconsin-Madison, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Es wird gerade eine neue Generation von Teleskopen gebaut, die eine höhere Empfindlichkeit für Gezeitenkatastrophen und andere vermutliche Neutrinoquellen bieten. Noch wichtiger ist der geplante Ausbau des IceCube-Neutrinodetektors, wodurch sich die Zahl der beobachteten kosmischen Neutrinos mindestens verzehnfachen dürfte.“ Die Gezeitenkatastrophe ist erst die zweite Quelle, die einem kosmischen Neutrino zugeordnet werden konnte. 2018 hatte eine Multi-Messenger-Beobachtungskampagne die Aktive Galaxie mit der Katalognummer TXS 0506+056 als Quelle eines energiereichen Neutrinos identifiziert, das von IceCube 2017 aufgezeichnet worden war.

Das IceCube-Neutrinoobservatorium ist eine Einrichtung der Nationalen US-Forschungsstiftung NSF an der Amundsen-Scott-Südpolstation des US-Antarktisprogramms. Außer IceCube und der Zwicky Transient Facility haben die Instrumente Spectral Energy Distribution Machine (SEDM), Palomar 200-inch Hale Telescope (P200), Liverpool Telescope (LT), NASA’s Neil Gehrels Swift Observatory, Lowell Discovery Telescope, Lick Observatory Shane Telescope, Keck Telescope, ESA’s X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), AMI Large Array (AMI-LA), MeerKAT und NASA’s Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) Beobachtungsdaten zu der Studie beigetragen.

Originalarbeiten:
A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino; Robert Stein, Sjoert van Velzen, Marek Kowalski, et al.; Nature Astronomy, 2021,
DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8

A concordance scenario for the observed neutrino from a tidal discruption event; Walter Winter and Cecilia Lunardini; Nature Astronomy, 2021,
DOI: 10.1038/s41550-021-01305-3

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Quelle: WWU.

20. Juli 2020 – Die Grundbausteine der Materie und des Universums erforschen – um dieses Ziel weiter zu verfolgen, erhalten Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) eine Förderung von 2,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Damit unterstützt das Ministerium in den kommenden drei Jahren die Großprojekte der beteiligten Forschergruppen um die Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Alexander Kappes und Prof. Dr. Christian Weinheimer sowie die Geophysikerin Prof. Dr. Christine Thomas.

Die Gelder fließen unter anderem in die Entwicklungsarbeiten zum geplanten europäischen Gravitationswellenexperiment „Einstein-Teleskop“. Nachdem die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen vor einigen Jahren nachgewiesen wurden, soll dieser geplante Gravitationswellendetektor eine neue Ära von Astronomie und Astrophysik einleiten – an der sich auch die WWU beteiligen will. In dem geförderten Projekt wollen die Geophysiker und Physiker seismische Störungen messen und Methoden zu deren Kompensation für das extrem empfindliche Messgerät, dem Interferometer, entwickeln.

Weitere Forschungsgelder erhalten die Wissenschaftler für Projekte zur Astronomie mit Neutrinos – kleinste Teilchen, die als kosmische Strahlung auf die Erde gelangen und nach denen die Forscher seit Jahren mit dem Großexperiment „IceCube“ am Südpol suchen. Für zukünftige Erweiterungen des Detektors entwickeln die münsterschen Physiker verbesserte optische Sensoren, um extrem energiereiche kosmische Objekte wie aktive galaktische Kerne zu untersuchen.

Neutrinos sind nicht nur wichtige astrophysikalische Botenteilchen, um das Universum zu verstehen – sie bergen auch selbst große Geheimnisse. Zur Bestimmung der noch unbekannten Masse der Neutrinos erhalten die WWU-Wissenschaftler weitere Fördergelder für ihre Projekte am KATRIN-Experiment am Karlsruher KIT, die sie unter anderem für den Betrieb großer Instrumente und zur Datenanalyse einsetzen.

Die größte Einzelsumme ist der Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie mit dem „XENONnT“-Experiment und dessen Nachfolger „DARWIN“ im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso National Laboratory gewidmet. Neben der Analyse der Messdaten entwickeln die münsterschen Physiker besondere Tieftemperatur-Reinigungsanlagen, mit denen der mit flüssigem Xenongas gefüllte Detektor auf niedrigste Störraten durch radioaktive Zerfälle gebracht wird, die zuvor noch nie erreicht wurden.

Die Finanzierung durch das BMBF erfolgt im Rahmen der Förderung ausgewählter Schwerpunkte der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung auf dem Gebiet „Erforschung von Universum und Materie“.

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• Dunkle Materie

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des Exzellenzclusters PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) federführend beteiligt sind, zeigt nun: Das Rätsel der Neutrino-Massenordnung könnte bereits in den nächsten Jahren gelöst sein. Denn: Mit der kombinierten Leistungsfähigkeit zweier neuer Neutrino-Experimente am Horizont – dem Upgrade des IceCube Experiments am Südpol und dem Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China – werden die Physiker bald Zugang zu sehr viel empfindlicheren und sich ergänzenden Messungen der Neutrino-Massenordnung haben.

Neutrinos sind die Chamäleons unter den Elementarteilchen

Neutrinos werden von natürlichen Quellen – etwa im Sonneninneren und anderen astronomischen Objekten – aber auch in Kernkraftwerken in riesigen Mengen erzeugt. Normale Materie – einschließlich unseren Körper – durchdringen sie jedoch völlig ungehindert. Das macht den Nachweis dieser „Geisterteilchen“ extrem aufwendig und erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen nachzuweisen.

Neutrinos kommen in drei unterschiedlichen Arten vor – als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich ineinander umwandeln; ein Phänomen, das die Forscher als Neutrinooszillationen bezeichnen. Aus dem beobachteten Oszillationsmuster lassen sich auch Rückschlüsse auf die Masse der Teilchen ziehen. Die Frage, die die Physiker seit Jahren umtreibt, ist: Welches der drei Neutrinos ist das leichteste, welches das schwerste? Prof. Dr. Michael Wurm, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA⁺ und am Institut für Physik der JGU, ist maßgeblich am Aufbau des JUNO Experiments in China beteiligt. Er sagt: „In der Beantwortung dieser Frage sehen wir einen wichtigen Schritt, um langfristig Informationen über die Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie im Neutrinosektor gewinnen zu können. Deshalb versprechen wir uns davon schlussendlich Antworten auf die Frage, weshalb sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht vollständig gegenseitig vernichtet haben.“

Weltweite Zusammenarbeit zahlt sich aus

Beide Groß-Experimente nutzen sehr unterschiedliche und komplementäre Wege, um das Rätsel der Neutrino-Massenordnung zu lösen. „Da liegt es nahe, die erwarteten Ergebnisse beider Experimente zu kombinieren“, erläutert Prof. Dr. Sebastian Böser, der ebenfalls am Exzellenzcluster PRISMA⁺ und am Institut für Physik der JGU an Neutrinos forscht und maßgeblich am IceCube Experiment beteiligt ist.

Gesagt, getan: In der aktuellen Ausgabe der Physical Reviews D beschreiben Forscher der IceCube und der JUNO Kollaboration eine kombinierte Analyse ihrer jeweiligen Experimente. Dazu gingen die Autoren zunächst davon aus, dass jedes Experiment eine bestimmte Zeit gelaufen war und simulierten dann die vorhergesagten experimentellen Ergebnisse. Diese Ergebnisse variieren je nachdem, ob die Neutrino-Massen einer normalen oder umgekehrten (invertierten) Ordnung folgen. Als nächstes führten die Physiker einen statistischen Test durch, in dem sie die simulierten Ergebnisse beider Experimente einer gemeinsamen Analyse unterzogen: Diese verriet ihnen die Empfindlichkeit dafür, dass beide Experimente kombiniert die korrekte Ordnung vorhersagen beziehungsweise die falsche Ordnung ausschließen können. Da die Ergebnisse von JUNO und IceCube sehr spezifisch von der tatsächlichen Neutrino-Massenordnung abhängen, hatte ihr kombinierter Test eine sehr viel stärkere Unterscheidungskraft als jedes der Einzelexperimente: In Kombination können die Experimente so die falsche Neutrino-Massenordnung innerhalb von drei bis sieben Jahren Messzeit definitiv ausschließen.

„Das Ganze ist in diesem Fall mehr als die Summe seiner Teile“, lautet das Fazit von Sebastian Böser. „Es unterstreicht eindrucksvoll die Bedeutung komplementärer experimenteller Ansätze zur Lösung der verbleibenden Rätsel der Neutrinos.“ „Weder das IceCube Upgrade noch JUNO können das alleine erreichen – und auch keines der anderen Experimente, die es derzeit gibt“, ergänzt Michael Wurm. „Darüber hinaus ist es ein schönes Beispiel für die Zusammenarbeit der Neutrinophysiker hier in Mainz.“

Über IceCube und seine Erweiterung:

IceCube ist der größte Teilchendetektor der Welt. Er wurde im Dezember 2010 fertiggestellt und sammelt seitdem Daten über Neutrinos aus dem Weltall. Er besteht aus einem Kubikkilometer Eis und liegt direkt bei der Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol. An 86 Kabeltrossen sind jeweils 60 Glaskugeln angebracht, die in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 Kilometer reichen. Diese Kugeln umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das bläuliche Tscherenkow-Leuchten auffangen, das bei Neutrino-Reaktionen entsteht. Zu den bisher 5.160 Sensoren kommen mit dem Upgrade weitere 700 neue Sensoren hinzu, die in sehr engem Abstand an sieben Kabeltrossen befestigt sind. Sie werden unter dem Zentrum des jetzigen Detektors etwa 1,6 Kilometer tief installiert.

Über JUNO:

Der JUNO-Detektor (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) wird aktuell in einem eigens geschaffenen Untergrundlabor aufgebaut, das in etwa 50 Kilometer Abstand zu zwei Reaktorkomplexen an der südchinesischen Küste liegt. Die von den Reaktoren ausgesandten Neutrinos werden anhand kleiner Lichtblitze im Szintillatortarget des Detektors nachgewiesen. 20.000 Tonnen einer mineralölähnlichen Flüssigkeit befinden sich gut abgeschirmt von äußerer Strahlung in einer 35 Meter durchmessenden Plexiglassphäre im Zentrum des Detektors, dessen Oberfläche dicht mit Lichtsensoren bestückt ist.

Veröffentlichung:

M. G. Aartsen et al. (IceCube-Gen2 Collaboration, JUNO Collaboration Members), Combined sensitivity to the neutrino mass ordering with JUNO, the IceCube Upgrade, and PINGU, Physical Review D 101: 032006, 21. Februar 2020

DOI: 10.1103/PhysRevD.101.032006

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das Neutrino-Ereignis IceCube 170922A, entdeckt mit dem IceCube-Neutrinoobservatorium am Südpol, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit mit der aktiven Galaxie TXS 0506+056 in Verbindung gebracht werden, die in einer Entfernung von 3,8 Milliarden Lichtjahren liegt. TXS 0506+056 ist nur eine von zahlreichen aktiven Galaxien und es war zunächst rätselhaft, warum bis jetzt nur diese Galaxie ein von der Erde aus nachweisbares Neutrino erzeugt hat.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat hochaufgelöste Radiobeobachtungen von TXS 0506+56 aus den Jahren 2009 bis 2018, also bevor und nach dem Neutrino-Ereignis, untersucht. Das Team erklärt die verstärkte Neutrinoaktivität während eines früheren Neutrinoausbruchs und das mit IceCube nachgewiesene Neutrino durch einen kosmischen Zusammenstoß innerhalb der Galaxie. Das Aufeinandertreffen von Materie im Wechselwirkungsbereich des Jets in der Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs könnte zur Erzeugung der Neutrinos geführt haben.

Die Ergebnisse wurden am 2. Oktober 2019 in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Am 12. Juli 2018 hat die IceCube-Kollaboration die Entdeckung des ersten hochenergetischen Neutrinos, IceCube-170922A, bekanntgegeben, das auf einen Ursprung in großer kosmischer Entfernung zurückgeführt werden konnte. Während der Ursprung in größerer Entfernung im Kosmos für Neutrinos schon lange Zeit vermutet wurde, ist dies das erste Mal, das die Herkunft eines Neutrinos aus einer fernen Galaxie bestätigt werden konnte. Die „Heimat“ des Neutrinos ist ein sogenannter aktiver galaktischer Kern („Active Galactic Nucleus“, AGN), eine Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch als Zentralquelle. Ein internationales Forscherteam konnte nun den Entstehungsprozess für dieses Neutrino aufklären und fand den entsprechenden Vorgang zu einem Teilchenbeschleuniger auf der Erde: ein kosmischer Zusammenstoß von Materie aus Teilchenstrahlen oder Jets.

Aktive galaktische Kerne sind die energiereichsten Objekte in unserem Universum. Angetrieben durch supermassereiche Schwarze Löcher wird Materie auf die Zentralquelle akkretiert und Teilchenstrahlen bzw. Plasmaströme (sogenannte Jets) werden in den intergalaktischen Raum hinausgeschleudert. BL-Lac-Objekte (benannt nach dem Prototyp BL Lacertae im Sternbild Eidechse) bilden eine spezielle Klasse solcher AGN, bei denen der Jet zufällig in Richtung Erde ausgerichtet ist und die beobachtete Strahlung dominiert. Das Neutrino-Ereignis IceCube-170922A hat allem Anschein nach seinen Ursprung in dem BL-Lac-Objekt TXS 0506+056, einer Galaxie mit einer Rotverschiebung von z=0,34. Das entspricht einer Lichtlaufzeitentfernung von 3,8 Milliarden Lichtjahren. Untersuchungen der IceCube Collaboration von Archivdaten hatten zuvor Hinweise auf erhöhte Neutrino-Aktivität aus derselben Galaxie für die Zeit zwischen September 2014 und März 2015 ergeben.

Andere BL-Lac-Objekte zeigen Eigenschaften ganz ähnlich zu denen von TXS 0506+056. „Es war schon etwas rätselhaft, warum gerade diese Galaxie als Quelle für ein Neutrino-Ereignis identifiziert werden konnte“, erklärt Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die Erstautorin der Veröffentlichung. „Wir wollten herausfinden, was TXS 0506+056 so speziell macht, um den Entstehungsprozess für Neutrinos zu verstehen und den Ort der Entstehung genauer zu lokalisieren. Dazu haben wir hochaufgelöste Radiobilder des Jets in dieser Quelle untersucht.“

Zu ihrer großen Überraschung fanden die Forscher eine nicht erwartete Wechselwirkung im Jet-Material von TXS 0506+056. Während das Plasma im Jet normalerweise gleichförmig in einer Art Strömungskanal fließt, scheint die Situation in dieser Galaxie anders zu sein. Das Team geht davon aus, dass sowohl die verstärkte Neutrinoaktivität während eines Neutrinoausbruchs in den Jahren 2014 und 2015 sowie das Einzelneutrino IceCube-170922A durch einen kosmischen Zusammenstoß innerhalb der Galaxie TXS 0506+056 erklärt werden können.

Diese kosmische Kollision kann zurückgeführt werden auf neu erzeugtes Jetmaterial, das auf einen älteren Jet auftrifft. Die stark gekrümmte Struktur des Jets in den Beobachtungen ist ein Beleg für eine solche Annahme. Eine weitere mögliche Erklärung ist die Kollision zweier Jets in der gleichen Quelle. In beiden Szenarien ist es die Kollision von Jetmaterial, die das Neutrino erzeugt.

Markus Böttcher von der North-West-Universität in Potchefstroom (Südafrika), ist Ko-autor der Veröffentlichung und hat die Modellrechnungen bzgl. Strahlung und Teilchenemission durchgeführt. „Die Kollision von Jetmaterial ist im Moment der einzige verfügbare Mechanismus, der die Entdeckung eines Neutrinos aus dieser Quelle erklären kann. Sie gibt uns auch wichtige Einsichten bzgl. des Jetmaterials und löst die lange bestehende Frage, ob die Jets eher aus leptonischem Material, also Elektronen und Positronen, oder aus hadronischem Material, also Elektronen und Protonen, oder aus einer Kombination von beidem bestehen. Zumindest ein Teil des Materials muss hadronisch sein, sonst hätten wir das Neutrino nicht entdeckt.“

Im Lauf der kosmischen Evolution unseres Universums scheinen Kollisionen von Galaxien recht häufig aufzutreten. Unter der Annahme, dass zwei miteinander kollidierende Galaxien beide ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum aufweisen, erzeugt die Kollision dieser Galaxien ein Paar von Schwarzen Löchern im Zentrum, das sich in immer geringer werdendem Abstand umkreist und schließlich miteinander fusioniert. Bei dieser Verschmelzung werden Gravitationswellen ausgesandt. Dieser Vorgang ist bei supermassereichen Schwarzen Löchern äquivalent zur Fusion wesentlich masseärmerer stellarer Schwarzer Löcher, deren Gravitationswellen mit den LIGO/VIRGO-Detektoren nachgewiesen werden konnten.

Aktive galaktische Kerne mit binären Schwarzen Löchern in einem geringen Abstand von nur wenigen Lichtjahren werden bereits seit langer Zeit gesucht. Sie dürften jedoch sehr selten und auch schwer zu identifizieren sein. Zusätzlich zum Nachweis der Kollision von Jetmaterie haben die Forscher auch Anzeichen für eine Präzession des zentralen Jets in TXS 0506+056 gefunden.

Dazu Michal Zajaček vom Zentrum für Theoretische Physik in Warschau, ein weiterer Ko-autor der Veröffentlichung: „Diese Präzession kann entweder durch ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch erklärt werden oder aber durch den Lense-Thirring-Präzessionseffekt, wie von Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Letzterer könnte wiederum durch ein zweites supermassereiches Schwarzes Loch in etwas größerem Abstand im Zentrum der Galaxie ausgelöst worden sein. Beide Szenarien führen zu einer Änderung in der Ausrichtung des Jets, wie wir sie auch beobachten.“

Christian Fendt vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie ist erstaunt: „Je näher wir an den Ursprung der Jets herankommen, desto komplizierter werden innere Struktur und Dynamik dieser Jets. Die binären Schwarzen Löcher erzeugen eine komplexe Struktur in dem ausgeworfenen Material, welches von den kosmologischen Modellen der Galaxienentstehung bei der Verschmelzung von Galaxien erwartet wird.“

Silke Britzen betont das wissenschaftliche Potential des Forschungsergebnisses: „Es ist phantastisch, dass wir die Erzeugung von Neutrinos durch detaillierte Analyse von Jets in Galaxien untersuchen können. Und es wäre wirklich ein Durchbruch, wenn mit unserer Veröffentlichung ein weiterer Kandidat für ein binäres Schwarzes Loch mit zwei Jets bestätigt werden könnte.“

Es scheint zum ersten Mal gelungen zu sein, die Kollision zweier Jets im Zentrum einer Galaxie auf Skalen von nur wenigen Lichtjahren zu bestätigen und die Entdeckung eines kosmischen Neutrinos auf eine Jetkollision zurückführen zu können.

Während TXS 0506+056 vielleicht nicht repräsentativ für die Klasse von BL-Lac-Objekten ist, könnte diese Quelle aber doch maßgeblich sein für die wiederholte Wechselwirkung des Materials zweier Jets und die dadurch hervorgerufene Erzeugung von Neutrinos.

Hintergrundinformation:
Das IceCube Neutrino-Observatorium wurde zur Erforschung des Kosmos tief im Eis der Antarktis errichtet. Mit Detektoren eines Volumens von einem Kubikkilometer Eis sucht IceCube nach nahezu masselosen Elementarteilchen, die als Neutrinos bezeichnet werden. Diese hochenergetischen Botschafter aus den Tiefen des Universums enthalten Informationen über einige der heftigsten astrophysikalischen Phänomene im Universum wie explodierende Sterne, Gammastrahlungsausbrüche, Schwarze Löcher und Neutronensterne.

MOJAVE (Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments) ist ein Langzeitprogramm zur systematischen Erfassung von Äderungen in der Gesamthelligkeit und Polarisation von Jets in Verbindung mit aktiven galaktischen Kernen (AGN) am Nordhimmel. Das Very Long Baseline Array (VLBA) umfasst ein Netzwerk von zehn Radioteleskopen, die von Socorro/New Mexico aus gesteuert werden und in einem interferometrischen Modus (Very Long Baseline Interferometrie, VLBI) miteinander verbunden sind.

BL-Lac-Objekte stellen eine besondere Unterklasse von aktiven galaktischen Kernen (AGN) dar. Als AGN wird ein kompakter Bereich im Zentrum bestimmter Galaxien bezeichnet, der eine wesentlich erhöhte Leuchtkraft in einem maßgeblichen Teil des elektromagnetischen Spektrums aufweist. Diese Leuchtkraft ist nichtthermischen Ursprungs und wird durch die Akkretion von Materie in der unmittelbaren Umgebung des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs erzeugt. Der Jet eines BL-Lac-Objekts ist geometrisch direkt auf den Beobachter gerichtet und zeigt demzufolge ein einzigartiges Radioemissionsspektrum.

Die Autoren der Originalveröffentlichung in “Astronomy & Astrophysics” sind Silke Britzen, Christian Fendt, Markus Böttcher, Michal Zajaček, Frederic Jaron, Ilya Pashchenko, Anabella Araudo, Vladimir Karas, und Omar Kurtanidze. Silke Britzen, die Erstautorin, und ebenso Michal Zajaček und Frederic Jaron haben eine MPIfR-Affiliation.

Neben dem MPIfR umfassen die Affiliationen der Ko-autoren das Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg), das Centre for Space Research (North-West University, Potchefstroom, Südafrika), das I. Physikalisches Institut der Universität Köln, das Zentrum für Theoretische Physik der polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau, das Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn, das Astro Space Center des Physikalischen Instituts Lebedev in Russland, das Astronomische Institut und das Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag sowie das Abastumani-Observatorium in Georgien.

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: physorg/uni-mainz.

IceCube ist ein Hochenergie-Neutrino-Observatorium, das im Eis des Südpols nach knapp sechs Jahren Bauzeit am 18. Dezember 2010 fertiggestellt wurde. In einem Volumen von 1 km³ sollen Hochenergie-Neutrinos registriert werden, die mit den Elementarteilchen des Eises reagieren, wobei Elektronen, Myonen oder Tauonen erzeugt werden, welche mit Hilfe von hochempfindlichen optischen Sensoren nachgewiesen werden können.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr kleiner Masse. Sie sind sehr schwer nachweisbar, wurden bereits 1930 vorhergesagt, jedoch erst 1956 wirklich festgestellt. Bei Zusammenstößen der Neutrinos mit Materie finden, anders als bei den anderen bekannten Elementarteilchen, nur Prozesse der Schwachen Wechselwirkung statt. Ein Strom von Neutrinos geht daher auch durch große Schichtdicken, sogar durch die ganze Erde, fast ungeschwächt hindurch.

1987 wurden Neutrinos nachgewiesen, die von der Supernova 1987A aus der Großen Magellanschen Wolke stammten.

IceCube ist im Eis unter der US-amerikanischen Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol installiert. IceCube besteht aus 86 Kabeltrossen, an denen in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 km jeweils 60 Glaskugeln angebracht sind. Die Kugeln umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das schwache bläuliche Leuchten auffangen, das bei Neutrinoreaktionen entsteht. Die Trossen sind in 125 m Abstand voneinander angeordnet, sodass insgesamt ein Volumen von einem Kubikkilometer mit 5.000 Lichtsensoren bestückt ist. Zu den Forschungsobjekten zählen Schwarze Löcher, die im Zentrum von Galaxien sitzen und Materie wie in einem Mahlstrom in sich hineinziehen, sowie die rätselhafte Dunkle Materie, die unser Universum erfüllt, aber bisher nicht identifiziert werden konnte.

Der Aufbau von IceCube hat es erlaubt, schon vor seinem endgültigen Bauabschluss Messungen durchzuführen. In jedem Jahr seit 2005 wurden mit der jeweils fertiggestellten Konfiguration von Trossen, 2005 = 1, 2006 = 9, 2007 = 22, 2008 = 40, 2009 = 59, 2010 = 86 Stück, Daten genommen. Mit den wachsenden Detektoren wurden die Daten von Jahr zu Jahr detaillierter und haben bereits erste Ergebnisse geliefert.

Bis jetzt wurden fast 100.000 Neutrinos registriert, die in der Erdatmosphäre erzeugt wurden, darunter solche mit Energien bis zu 400.000 Milliarden Elektronenvolt (400 TeV). Das ist etwa tausendmal höher als die Energien von Neutrinos, die an Beschleunigern auf der Erde erzeugt werden. Da IceCube seine volle Empfindlichkeit erreicht hat, hoffen die Wissenschaftler auf die Explosion einer Supernova in unserer Milchstraße und die Entdeckung einer noch weit entfernteren Quelle dieser hochenergetischen Himmelsboten. Die Voraussetzungen dafür sind gut.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: SpaceRef.

Die Irregularität besteht darin, dass die kosmische Strahlung aus bestimmten Richtungen stärker ist als aus anderen. Eine ähnliche Zweiteilung des Himmels bzgl. hochenergetischer Partikel (vorwiegend Protonen und Elektronen) aus den Tiefen des Weltalls hatte man vor Jahren mit anderen Detektoren bereits über der Nordhalbkugel der Erde festgestellt. Eine Erklärung für dieses Phänomen steht noch aus.

IceCube ist ein im Aufbau befindlicher Neutrinodetektor, der im Endausbau aus 86 Reihen mit 5.160 lichtempfindlichen Sensoren bestehen soll. Mit ihnen kann man seltene Wechselwirkungen zwischen den geisterhaften Neutrinos und den Atomen des Eises feststellen. Insgesamt erfassen die Detektoren Ereignisse aus etwa einem Kubikkilometer Rauminhalt.

Neutrinos entstehen bei Kernumwandlungsprozessen, beispielsweise im Inneren von Sternen, insbesondere aber bei energetischen Großereignissen wie Supernovae. Obwohl jeder Quadratmeter der Erde ständig von unzähligen Neutrinos bombardiert wird, kommt es nur selten zu Wechselwirkungen mit anderen Teilchen, die Neutrinos fliegen fast immer einfach durch uns und die Erde hindurch. Deswegen muss ein großes Volumen eines durchsichtigen Mediums (Wasser oder Eis) überwacht werden, um wenigstens einige der charakteristischen Lichtblitze aufzeichnen zu können, die bei den seltenen Kollisionen entstehen. Die optischen Sensoren und Verstärker von IceCube wurden und werden an Kabeln hängend in das Eis der Antarktis eingeschmolzen. Die meisten anderen energiereichen Teilchen, die aus dem All zu uns gelangen oder auf der Erde erzeugt werden, gelangen gar nicht bis in diese Tiefen unterhalb von 1.450 Metern. Bisher sind 79 der geplanten 86 Reihen installiert. Danach konzentrieren sich die Messungen auf Neutrinos, die über die Nordhalbkugel der Erde zum Detektor gelangen, also einen Großteil unseres Planeten ungehindert durchquert haben.

Die durch die kosmische Strahlung verursachten Daten stammen allerdings von der Südhemisphäre und werden von den Neutrinodetektoren eigentlich nur als Nebenprodukt erfasst. Für die Neutrinountersuchungen sind sie sogar störend und werden herausgerechnet. Rasha Abbasi und Paolo Desiati von der Universität Wisconsin-Madison (USA) haben aber gerade diese Daten ausgewertet und in ihnen eine Richtungsabhängigkeit der Intensität der kosmischen Strahlung gefunden.

Über die Ursache kann bisher nur spekuliert werden. Zum einen könnte diese Unregelmäßigkeit durch einen oder mehrere, astronomisch gesehen in der Nähe gelegene Supernova-Überreste verursacht werden. Eine Beeinflussung der kosmischen Strahlung wäre aber auch durch interstellare Magnetfelder denkbar, über die wir bisher nur wenig wissen.

Falls sich letzteres bestätigt, könnte man aus erweiterten Daten viel über die Struktur der durch sich zwischen den Sternen bewegenden Gas- und Staubwolken verursachten, interstellaren Magnetfelder lernen. Die bisherigen Feststellungen beruhen auf Daten mit nur 22 Detektorreihen aus den Jahren 2007 und 2008. Die Wissenschftler wollen nun Daten des letzten Jahres bei Verwendung von bis zu 59 Detektorreihen auswerten.

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