Quelle: DESY.

Die vor knapp 50 Jahren entwickelte Methode der stellaren Intensitätsinterferometrie könnte eine vielversprechende Zweitnutzung von Gammastrahlen-Observatorien wie dem künftigen Cherenkov Telescope Array (CTA) erlauben, wie das von Astronomen des Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und der University of Utah geleitete Team, dem auch Wissenschaftler von DESY angehören, im Fachblatt „Nature Astronomy“ schreibt.

„Ein gutes Verständnis der Sternenphysik ist wichtig für eine ganze Reihe astronomischer Fachgebiete, von der Suche nach Exoplaneten bis hin zur Kosmologie“, erläutert Nolan Matthews von der University of Utah, einer der Autoren der Studie. „Allerdings werden Sterne wegen ihrer großen Entfernung von der Erde oft als Punktlichtquellen gesehen.“ Die Interferometrie habe sich als sehr erfolgreiche Technik erwiesen, wenn es darum gehe, eine ausreichende Winkelauflösung zur Untersuchung von Sternen zu erreichen. „Wir haben gezeigt, dass optische Intensitätsinterferometrie-Messungen mit einer Matrix aus vielen Teleskopen möglich sind, die wiederum unserem Verständnis von Sternsystemen helfen werden“, sagt Matthews.

Normalerweise spähen die VERITAS-Teleskope nach den schwachen blauen Blitzen des Cherenkov-Lichts, das entsteht, wenn kosmische Gammastrahlen auf die Erdatmosphäre treffen. Diese Beobachtungen sind jedoch auf dunkle mondlose Stunden beschränkt. Das Team nutzte für seine Studie im Dezember 2019 eine Zeit, als VERITAS seine normalen Beobachtungen nicht durchführen konnte. „Dank moderner Elektronik konnten wir die Lichtsignale der einzelnen Teleskope per Computer kombinieren. Das resultierende Instrument hat die optische Auflösung eines Reflektors von der Größe eines Fußballfelds“, erklärt Forschungsleiter David Kieda von der University of Utah. „Dies ist die erste Anwendung der ursprünglichen Hanbury-Brown-Twiss-Methode bei einer Matrix optischer Teleskope.“

Das Team beobachtete beide Sterne mehrere Stunden lang. Die Messungen ergaben Winkeldurchmesser von 0,523 Millibogensekunden für Beta Canis Majoris und 0,631 Millibogensekunden für Epsilon Orionis. Eine Millibogensekunde entspricht in etwa der Ausdehnung einer Zwei-Cent-Münze auf dem Eiffelturm in Paris von New York aus betrachtet. „Die Messwerte für beide Sterne stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit derselben Technik mit den Narrabri-Teleskopen in den 1970er Jahren durchgeführt wurden“, berichtet DESY-Forscher Tarek Hassan, der an der Auswertung der VERITAS-Messungen beteiligt war. Die von 1963 bis 1974 betriebenen Narrabri-Teleskope waren die ersten Instrumente, die Sterndurchmesser mit Hilfe der stellaren Intensitätsinterferometrie bestimmt haben. Das VERITAS-Team konnte jetzt erhebliche Verbesserungen der Empfindlichkeit der Technik zeigen und auch ihre Skalierbarkeit dank digitaler Elektronik.

Mit der Methode lassen sich auch Dutzende von Teleskopen kombinieren, betonen die Forscher. Das könnte sich als eine interessante Option für nicht nutzbare Beobachtungszeit am künftigen Cherenkov-Teleskop-Array erweisen. Es wird das größte Gammastrahlen-Observatorium der Welt sein. Das CTA wird Gammateleskope in drei Größenklassen umfassen, DESY ist für die mittelgroßen Teleskope verantwortlich. „Das CTA wird bis zu 99 Teleskope mit Kilometer-Basislinien auf der Südhalbkugel und 19 Teleskope mit mehreren hundert Metern Basislinien auf der Nordhalbkugel besitzen“, erläutert Hassan. „Stellare Intensitätsinterferometrie-Messungen mit dem CTA könnte uns künftig erlauben, Sterne mit beispielloser Winkelauflösung zu untersuchen.“

Die Intensitätsinterferometrie könnte es den Wissenschaftlern dabei nicht nur ermöglichen, die Durchmesser von Sternen zu bestimmen, sondern auch Sternenoberflächen abzubilden und die Eigenschaften von Systemen wie wechselwirkenden Doppelsternen, schnell rotierenden Sternen oder pulsierender sogenannter Cepheiden-Variablen zu messen. In einer früheren Studie hatten Forscherinnen und Forscher in einem innovativen Verfahren mit Gammateleskopen bereits die Größe von Sternen bestimmt, indem sie Asteroidenbedeckungen dieser Sterne beobachteten. Diese Untersuchungen zeigen, dass Gammateleskope und die Forschung mit ihnen vielseitiger sind als angenommen.

VERITAS ist ein System aus vier optischen Zwölf-Meter-Reflektoren für die Gammastrahlenastronomie am Fred-Lawrence-Whipple-Observatorium des CfA in Amado, Arizona. VERITAS wird durch das U.S. Department of Energy Office of Science, die U.S. National Science Foundation und die Smithsonian Institution, NSERC aus Kanada, sowie die Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt. An VERITAS arbeiten etwa 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 20 Institutionen in den Vereinigten Staaten, Kanada, Deutschland und Irland.

Oringinalveröffentlichung:
Stellar Intensity Interferometry with the VERITAS array; The VERITAS Collaboration; „NatureAstronomy“, 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1143-y

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• Cherenkov Telescope Array

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Quelle: DESY.

Mit spezialisierten Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscherinnen und Forscher überraschende Einblicke in die größten Teilchenbeschleuniger des Universums gewonnen: Die Beschleunigung in diesen sogenannten aktiven Galaxien ist demnach nicht auf die Umgebung ihres zentralen Schwarzen Lochs beschränkt, sondern erstreckt sich tausende von Lichtjahren aus der Galaxie hinaus in die sogenannten Plasma-Jets, die nach oben und unten weit ins All hinausschießen. Diese Beobachtung verändert das Verständnis davon, welche maximalen Energien durch die Beschleunigungsprozesse in den Jets erreicht werden können. Das internationale Team mit mehr als 200 Mitgliedern aus 13 Ländern stellt seine Messungen mit dem H.E.S.S.-Gammastrahlenobservatorium in Namibia im Fachblatt „Nature“ vor. An dieser Arbeit sind insbesondere das französische Forschungszentrum CNRS, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und DESY in Deutschland sowie die Universität Innsbruck in Österreich beteiligt.

In den vergangenen Jahren hat die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen, also sehr energiereichen Lichtteilchen (Photonen), grundlegend neue Einblicke ins Universum ermöglicht. „Diese Photonen stammen aus Systemen wie den supermassereichen Schwarzen Löchern im Herzen bestimmter Galaxien, die sich Materie einverleiben“, erläutert H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor von DESY, einer der Hauptautoren der Publikation. „Dort werden Elektronen auf enorme Energien beschleunigt, die in von Menschen gebauten Maschinen unerreichbar sind.“ In diesen aktiven Galaxien ist das zentrale Schwarze Loch von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich Materie sammelt wie im Strudel eines Badewannenabflusses, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hinabstürzt.

Ein kleiner Teil dieser Materie fällt jedoch nicht in das Schwarze Loch, sondern wird vorher abgezweigt und in Form zweier gigantischer Plasma-Jets senkrecht nach oben und unten weit aus der Galaxie hinaus in den Kosmos geschleudert.Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Gammastrahlung kann über sehr kurze Zeiträume von bis zu einer Minute variieren, was auf einen sehr kleinräumigen Ursprung der Strahlung nahe dem zentralen Schwarzen Loch hindeutet. Darüber hinaus diskutieren Wissenschaftler den Ursprung der Röntgenemission der Jets, zu deren Erzeugung je nach Szenario eine extreme Beschleunigung von Elektronen nötig ist. Da beschleunigte Elektronen im Plasma-Jet jedoch schnell an Energie verlieren, müssen sie dort kontinuierlich beschleunigt werden, um entlang der gesamten Jets zu existieren.

Mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Radiogalaxie Centaurus A mehr als 200 Stunden lang mit unerreichter Auflösung im Gammastrahlenbereich. Radiogalaxien strahlen stark im Frequenzbereich der Radiowellen. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, ebenfalls einer der Hauptautoren der Publikation.

Auf der Grundlage detaillierter Analysen von Gruppen in Innsbruck und Paris konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung tatsächlich über mehrere tausend Lichtjahre erstreckt. Diese ausgedehnte Emission deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung nicht nur in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch über die gesamte Länge der Plasma-Jets, wie die beteiligten Gruppen in Heidelberg und Zeuthen bei Berlin dargelegt haben. Die größten Teilchenbeschleuniger im Kosmos sind also noch größer als angenommen.

Die Entdeckung deutet darauf hin, dass vermutlich viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Damit liefert die Beobachtung auch wichtige neue Informationen für die Debatte über den Ursprung der Röntgenemission. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt Taylor. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, dass sich langfristige Beobachtungsbemühungen wie diese auszahlen. Offensichtlich werden wir nach wie vor von unseren kosmischen Nachbarn überrascht, wenn wir sie anders beobachten.“

Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken. Das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), wird eine noch genauere Beobachtung dieses Phänomen ermöglichen. Am H.E.S.S. International Observatory, das aus fünf Teleskopen in Namibia besteht, sind Institute aus dreizehn Ländern beteiligt (Frankreich, Deutschland, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich, Schweden, Grossbritannien, Niederlande und Japan).

Originalveröffentlichung:
Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A; The H.E.S.S. Collaboration; „Nature“, 2020; Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: Universität Innsbruck.

Radiogalaxien gehören zur Klasse von Galaxien mit einem aktiven und hell leuchtenden Zentrum, aus dem riesige, gerichtete Materieströme ausgestoßen werden, die als Jets bezeichnet werden. Als Energiequelle dieser Jets werden extrem massereiche Schwarze Löcher mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen vermutet. Jets aus aktiven Galaxienkernen können durch den Einfall von Materie auf ein solches supermassives schwarzes Loch erklärt werden. Sie werfen Teilchenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit über Hunderte bis Tausende von Lichtjahren weit ins Weltall. Durch die große Entfernung zu diesen Objekten können ihre Strukturen jedoch nur für die nächsten von ihnen aufgelöst werden.

Im Fall der – auf astronomischen Skalen – nur rund 12 Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A, einer der hellsten Galaxien des Südhimmels, wurde der Jet bislang vom Radiobereich bis hin zu Röntgenenergien vermessen. „Am höchstenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums konnte Centaurus A aber bisher nur als unaufgelöste Punktquelle beobachtet werden“, erklärt Dr. Markus Holler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. Ob die höchstenergetische Gammastrahlung vom Galaxienkern oder aber vom Jet emittiert wird, konnte man daher bis dato nicht feststellen. Hier setzt ein wichtiger Beitrag der Innsbrucker Astrophysiker zur kollaborativen Studie an: Wie kürzlich bei der erfolgreichen Vermessung des Krebsnebels verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Olaf Reimer auch für die Untersuchung der Strukturen von Centaurus A eine neuartige Simulationsumgebung. Diese ermöglichte eine weitaus präzisere Analyse der insgesamt über 200 Stunden Beobachtungszeit mit den H.E.S.S.-Teleskopen.

„Die Simulationen, die wir für die Auswertung benötigten, werden üblicherweise vor den Beobachtungen generiert. In unserer Simulationsumgebung gibt es aber für jede Beobachtung in der Analyse eine maßgeschneiderte Simulation“, erklärt Astrophysiker Markus Holler. So ist es gelungen, hochenergetische Gammastrahlung entlang des Jets von Centaurus A nachzuweisen. „Wir können also nicht nur erstmals Centaurus A von einer Punktquelle unterscheiden, sondern sogar die Emission durch ihre Form zum Teil dem Jet zuordnen.” Die gemessene Ausdehnung des Jets von über 2 Winkelminuten (siehe Abbildung) im Gammastrahlenlicht enthüllt dabei ein spannendes Geheimnis: Nämlich die Antwort auf die Frage, wo und wie die höchstenergetische Gammastrahlung von Centaurus A entsteht.

Rückschlüsse auf Teilchenbeschleunigung im Jet
Berücksichtigt man die über andere Messinstrumente – v.a. Radio- und Röntgenstrahlenbeobachtungen – gewonnenen Informationen über Centaurus A sowie die von H.E.S.S. vermessene Emission des Jets in einer Modellierung, so lässt sich letztere nur mit einem extrem effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus erklären. „Die alleinige Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen”, verdeutlicht die Theoretikerin Prof. Anita Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck ein zentrales Ergebnis der Studie. „Inwieweit ähnlich effiziente Teilchenbeschleunigung in den ausgedehnten Jetbereichen auch ein Merkmal anderer aktiver Galaxienkerne ist, die nicht durch extreme Radiohelligkeit wie Centaurus A auffallen, ist eine Frage, die das künftige Cherenkov Telescope Array (CTA) beantworten sollte”, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an Vorbereitung und Bau des Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert. Ob Centaurus A also als generisch für viele weitere Galaxien betrachtet werden kann, wird sich in weiteren Forschungsvorhaben zeigen.

Indirekte Messung von Gammastrahlung
Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied, Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck leitet die österreichische H.E.S.S.-Gruppe.

Publikation:
The H.E.S.S. Collaboration: “Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A”

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• H.E.S.S. Teleskope

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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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• Neutrinos

Der Beitrag Mit China den Neutrinomassen auf der Spur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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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Ein Beitrag von Jan Großmann.

Um diese Frage zu beantworten, muss man sich zuerst anschauen, was wir heutzutage messen, um Ereignisse im Weltall zu enträtseln. Unsere heutigen Teleskope messen eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungen, so zum Beispiel Gammastrahlen, Radiowellen und natürlich das uns sichtbare Licht. Diese Strahlen haben jedoch einen strategischen Nachteil: Sie können relativ leicht durch Materie gestoppt werden.

Und genau an diesem Punkt kommen die Neutrinos ins Spiel. Diese Teilchen sind zunächst nur eine Hypothese, die entstand, als sich der Physiker Wolfgang Pauli einen Energieverlust beim Zerfall eines radioaktiven Elements nicht erklären konnte. Da sich Energie, wie jeder Physiker weiß, nicht in nichts auflösen kann, erschuf er kurzerhand die Neutrinos. Er bezeichnete sie als Teilchen, die entstehen, wenn ein Element zerfällt, die jedoch keine Ladung besitzen und sich mit Lichtgeschwindigkeit vom Reaktionsort entfernen. Auch beschrieb er die Teilchen als so klein, dass sie jegliche Materie durchdringen könnten.

Jahre später griffen Wissenschaftler diese Theorie wieder auf, um sie für die Erforschung des Weltraums zu nutzen. Denn wenn es uns möglich wäre, Teilchen zu messen, die jede andere Materie fast mühelos durchdringen können und nicht durch magnetische Felder abgelenkt werden, würde uns das Einblicke in Bereiche des Universums geben, die uns keine andere messbare Strahlung ermöglicht.

Nun fragt man sich, wie man neutrale Teilchen misst, die fast jede Materie durchdringen? Mit dieser Frage quälten sich Wissenschaftler lange Zeit herum. Heute weiß man, dass Neutrinos, die zufällig auf einen Atomkern prallen, zu so genannten Myonen werden, einer Art schwerer Elektronen. Diese Myonen bewegen sich in der gleichen Richtung und mit annähernd gleicher Geschwindigkeit weiter. Sie haben jedoch einen entscheidenden Vorteil: Sie senden bläuliche Lichtblitze aus! Mit diesen blauen Lichtblitzen haben Wissenschaftler die Möglichkeit, die Richtung und die Menge der Neutrinos zu messen. Jedoch ergeben sich auch hier Probleme. Zunächst ist die Rate, in der sich solche Lichtblitze zeigen, sehr gering. Auf Grund der Eigenschaft der Neutrinos, fast jede Materie zu durchdringen, stoßen sie nur selten mit einem Atomkern zusammen.

Weiterhin sind die Lichtblitze, die auf diese Art erzeugt werden, extrem schwach. Sie müssen durch sogenannte Photomultiplier verstärkt werden, damit sie überhaupt messbar sind. Man müsste also eine Vielzahl höchst empfindlicher Fotozellen verteilen, die jeden noch so geringen Lichtblitz registrieren.

Hierdurch ergibt sich das dritte Problem, das als am schwersten überwindbar erscheint: Das Hintergrundrauschen. Je empfindlicher man die Photomultiplier macht, desto wahrscheinlicher ist es auch, dass sie durch andere Strahlung beeinträchtigt werden. Man versuchte also, die Detektoren in tiefen Tunneln oder tief im Erdreich zu positionieren, um diese Störgrößen möglichst klein zu halten. Diese Versuche waren jedoch weniger erfolgreich und ihnen waren von Anfang an praktische Grenzen gesetzt.

Jedoch hatte ein russischer Wissenschaftler in den früher sechziger Jahren bereits die Idee, den Ozean als Filter für jene kosmische Störstrahlung zu verwenden. Dieser Vorschlag wurde jedoch als Utopie abgetan und ihm wurde keine weitere Beachtung geschenkt. Erst Jahrzehnte später wurde diese Idee wieder aufgegriffen – mit dem DUMAND Projekt.

Dieses Projekt beinhaltet ein in 5.000 Metern versenktes Neutrinoteleskop vor der Küste Hawaiis. Dieses Teleskop nutzt das extrem klare Wasser dieser Gegend, um das schwache Leuchten der Neutrinos zu messen. Man kann sich vorstellen, dass der Bau eines in 5.000 Metern tiefen Teleskops Komplikationen mit sich bringt.

Daher entschloss man sich für ein noch innovativeres Projekt, das AMANDA Projekt, das am Südpol stattfindet. Hier werden mit Hilfe von heißem Wasser Schächte bis zu tausend Metern Tiefe in das antarktische Eis gebohrt und in diesen Reihen von Detektoren angebracht, die die Myonenstrahlung messen sollen. Aufgrund des extrem klaren Eises in diesen Tiefen ist dies möglich. Jedoch beschweren sich heute schon Eisforscher darüber, mit welchen Methoden hier vorgegangen wird. Denn anstatt das Eis wie üblich mit Bohrern aus der Tiefe zu holen, wird es mit dem heißen Wasser einfach aufgelöst und es gehen somit wichtige Forschungsobjekte verloren.

Noch erwähnenswert ist, dass diese Teleskope nicht wie üblich vom Erdball direkt ins Weltall schauen. Sie blicken vielmehr durch die Erde hindurch ins All, wodurch sie die Erdmassen als Filter für die Hintergrundstrahlung benutzen. Die Neutrinos, die also letztendlich ins Netz der Wissenschaftler gehen, sind nicht nur durch die halbe Galaxie geflogen, sondern haben als letzte Grenze auch noch unseren Heimatplaneten durchquert.

Momentan steht die Neutrinoforschung noch am Anfang, es ist jedoch auf Grund der oben genannten Vorteile zu erwarten, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Erforschung des Weltalls spielen wird.

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