Erstmals Quelle eines Hochenergie-Neutrinos entdeckt

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Mehr als Milliarden Milliarden Milliarden von ihnen strömen durch die Erde, fast ungehindert, ohne Unterlass, mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und in jeder Sekunde. Die Rede ist von Neutrinos. Sie werden oft als Geisterteilchen bezeichnet, weil sie nur äußerst selten mit normaler Materie wechselwirken, was Nachweise mit entsprechenden Neutrino-Detektoren ebenfalls extrem schwierig macht. Doch sie sind da. Auf der Erdoberfläche gehen etwa 65 Milliarden Neutrinos pro Sekunde durch eine Fläche eines Daumennagels (cm²). Sie alle stammen von der Sonne, wobei sie bei der Kernfusion in ihrem Kern entstehen. Vor 50 Jahren wurden diese theoretisch vorhergesagten Teilchen der Sonne entdeckt. Vor gut 20 Jahren wurden schließlich erstmals extragalaktische Neutrinos detektiert. Sie stammten aus der Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke (LMC).

Um ein Vielfaches seltener sind die hochenergetischen Neutrinos (die sog. „cosmogenic neutrinos“), denn von ihnen erreichen nur ungefähr 10 Neutrinos pro Jahr und Quadratkilometer den Erdboden. Ihr Ursprung wurde lange Zeit in den Zentren von aktiven Galaxien vermutet, doch bislang war das alles nur Theorie. Trotz der geringen Nachweischancen ist das Neutrino-Teleskop IceCube genau für diese hochenergetischen Geisterteilchen ausgelegt. Wie der Name schon andeutet, ist IceCube ein Teleskop mit über 5.000 lichtempfindlichen Sensoren, die in einem Würfel von einem Kilometer Kantenlänge untergebracht sind; wobei sich alles 1,4 Kilometer unter dem Eispanzer des Südpols befindet.  Dort soll ein neues Fenster in der extragalaktischen Neutrino-Astronomie geöffnet werden, um mehr über Aktive Galaxienkerne (AGN) und die Kosmische Strahlung zu erfahren. Allerdings ist dabei die große Herausforderung: Woher weiß man von welchem Objekt das Neutrino losgeschickt wurde? Letztlich muss alles ganz schnell gehen, wenn man den Ursprungsort eines Neutrinos dingfest machen will.

Am 22. September 2017 um 22:54 MESZ löste nach Milliarden Jahren Reisezeit eins jener hochenergetischen Geisterteilchen eine Kernreaktion in den Atomen des ewigen Eises aus, wodurch ein Myon emittiert wurde, das dann seinerseits ein Lichtsignal im Südpol-Observatorium erzeugte. Der Neutrino-Alarm ging umgehend an zahlreiche andere Teleskope weltweit, und tatsächlich konnte in den Tagen danach ein Ursprungsort identifiziert werden. Beispielsweise empfingen Fermi im Weltraum und MAGIC am Boden sehr hohe Gammastrahlung, auch visuell zeigte das Objekt eine erhöhte Aktivität. So konnte mit erdgebundenen Beobachtungen und Weltraumteleskopen (siehe Bild unten)  tatsächlich der Blazar TXS 0506+056 mit ziemlicher Sicherheit als Neutrino-Quelle für das EHE (Extremely High Energy)-Signal 170922A identifiziert werden. Das ist das erste Mal, dass eine Neutrino-Beobachtung so etwas möglich gemacht hat, und vor allem ist es ein weiterer großer Erfolg in der sog. Multi-Messenger-Astronomie. Mit dieser Entdeckung können Theoretiker u.a. mehr über die hochrelativistische Teilchenbeschleunigung von supermassereichen Schwarzen Löchern erfahren. Diese stoßen Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus, und wenn einer wie bei TXS 0506+056 in Richtung Erde weist, wird so ein Aktiver Galaxienkern (AGN) als Blazar bezeichnet. Durch die Beobachtungen des Neutrinos und nachfolgend der elektromagnetischen Strahlung geht man jetzt davon aus, dass durch die gleichen Prozesse im Jet energiereiche Neutrino- und Gammastrahlung erzeugt wird. Das mit IceCube registrierte Hochenergie-Neutrino hatte übrigens eine Energie von grob 290 TeV; der LHC-Beschleuniger am CERN erreicht aktuell 13 TeV. Es ist also wahrscheinlich, dass tatsächlich Schwarze Löcher Neutrinos auf höchste Energien beschleunigen können. Mit Folgebeobachtungen konnte außerdem über die Rotverschiebung (z=0,336) die Entfernung des Blazars bestimmt werden. Desweiteren wurden in IceCube-Archivdaten von Ende 2014 bis Anfang 2015 19 weitere Neutrinos gefunden, von denen 6 zum erwarteten Hintergrundrauschen gehören, die verbleibenden sollen jedoch ebenfalls von dem Milliarden Lichtjahre fernen Schwarzen Loch stammen.

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Die elektromagnetische und die Neutrino-Strahlung des Blazar-Flares brauchte rund 3,8 Milliarden Lichtjahre zu uns. Das Objekt ist um die 15,0mag hell (strahlt damit so hell wie eine Billion Sonnen) und befindet sich nicht weit vom Schulterstern Bellatrix im Orion (während des Neutrino-Signals befand sich das Sternbild noch unter dem Horizont). Im Winter versuche ich mal mein Glück mit dem 12-Zöller.

Weitere Artikel:

Ist die Herkunft kosmischer Neutrinos geklärt? (FAZ vom Mai 2018)

Ein Erfolg der „Multi-Messenger“-Astronomie (Skyweek 2.0)

Eine Galaxie schießt mit Neutrinos (und noch viel mehr): die ganze Geschichte (Abenteuer Astronomie)

12.07.2018

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