„IceCube“-Experiment

Ist die Herkunft kosmischer Neutrinos geklärt?

Von Sibylle Anderl
 - 15:52
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Im Oktober vergangenen Jahres wurde der Eintritt in eine neue Ära der Astronomie gefeiert. Erstmalig war die Verschmelzung zweier Neutronensterne direkt beobachtet worden, und zwar sowohl anhand der von diesem mächtigen Ereignis verursachten Gravitationswellen durch die LIGO-Virgo Observatorien als auch unter weltweit koordinierter Nutzung vieler verschiedener Teleskope bei unterschiedlichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. Abgesehen von der Entdeckung des kosmischen Phänomens selbst war es diese Kombination verschiedener astronomischer Informationskanäle, die die Astrophysiker in Euphorie versetzte.

Grundsätzlich gibt es fünf Arten von Informationsträgern, die uns aus dem Kosmos erreichen, und die uns über die Natur kosmischer Phänomene und Prozesse Auskunft geben können: die elektromagnetische Strahlung, die das Hauptmedium astrophysikalischer Forschung darstellt, kosmische Strahlung aus hochenergetischen Elementarteilchen und Atomkernen, kosmische Festkörper wie Meteore und Meteoriten, Gravitationswellen und Neutrinos. Jeder Informationsträger offenbart andere Aspekte der untersuchten Objekte – erst ihre Kombination lässt ein konsistentes Bild unseres Kosmos entstehen. Am schwierigsten nachzuweisen sind dabei die Gravitationswellen und die Neutrinos. Der Grund dafür macht gleichzeitig ihren besonderen Nutzen aus: beide treten kaum in Wechselwirkung mit all demjenigen, dem sie auf ihrem Weg begegnen. Insbesondere werden die ungeladenen, anhand der schwachen Kraft wechselwirkenden Neutrinos weder gestreut noch absorbiert oder abgelenkt. Die von Gravitationswellen oder Neutrinos transportierten Informationen sind in diesem Sinne besonders ursprünglich und damit besonders wertvoll, um Auskunft über die ihnen zugrunde liegenden kosmischen Prozesse zu liefern. Im Fall der Gravitationswellen sind dies Kollisionen von äußerst kompakten Objekten, bei den Neutrinos beispielsweise Supernova-Explosionen oder gewaltige Strahlungsausbrüche von Galaxien mit einem aktiven Kern.

Eine Supernova-Explosion, bei der ein Stern am Ende seines Lebens spektakulär kollabierte, war auch das bislang einzige Ereignis, bei dem Neutrino-Beobachtungen mit Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum kombiniert werden konnten. Die berühmte Supernova 1987A, die sich vor rund dreißig Jahren als erdnächste Supernova in der Großen Magellanschen Wolke ereignete, wurde zunächst durch die Ankunft von knapp dreißig Neutrinos auf der Erde bemerkt. Erst drei Stunden später kam auch das elektromagnetische Signal der Explosion bei irdischen Teleskopen an. Die Kombination der Neutrino-Beobachtungen mit vielfältigen elektromagnetischen Signalen ließ das Ereignis als bislang beststudierte Supernova in die Geschichte eingehen und ermöglichte das Verständnis der Explosion und der dabei ablaufenden Physik auf einer ganz neuen Ebene. Der große potentielle Nutzen von Neutrino-Beobachtungen ist seitdem unbestritten, und in den vergangenen Jahrzehnten wurde viel investiert, um Neutrinos als astronomische Informationsquelle besser einsetzen zu können.

„IceCube“: Hightech am Südpol

Seit 2010 befindet sich das aktuell empfindlichste Neutrino-Teleskop am Südpol. Das „IceCube“ genannte Projekt ist eine internationale Kooperation, in der das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY und mehrere deutsche Universitäten vertreten sind. Im klaren Eis der Antarktis wurden in einem ein Kubikkilometer großen Volumen in mehr als 1450 Metern Tiefe 5160 Lichtsensoren installiert, die Myonen oder andere geladene Teilchen nachweisen können, die bei der Wechselwirkung von hochenergetischen Neutrinos mit den Eismolekülen erzeugt werden. Auf der Grundlage der IceCube-Daten kann die Energie der Neutrinos und ihre Herkunftsrichtung bestimmt werden. Im Jahr 2013 gelang IceCube erstmalig der Nachweis hochenergetischer kosmischer Neutrinostrahlung, mittlerweile werden zehn bis fünfzehn solcher kosmischen Neutrinos pro Jahr gemessen, mehr als hundert scheinbar zufällig über die gesamte Himmelssphäre verteilte Ereignisse gab es seit der Detektor in Betrieb ging. Eine Frage blieb bislang aber unbeantwortet: Woher stammen diese Neutrinos?

Die Antwort könnte nun gefunden worden sein. Das Magazin „Scientific American“ berichtet in seiner aktuellen Ausgabe unter Berufung auf verschiedene amerikanische Astronomen, dass seit der Beobachtung von SN 1987A erstmalig wieder ein Multi-Messenger-Ereignis beobachtet wurde, bei dem auch ein Neutrino-Signal aufgezeichnet wurde. Im vergangenen September stimmte demgemäß die Herkunftsrichtung einer Neutrino-Beobachtung des IceCube-Experiments mit nachfolgenden Beobachtungen von Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, optischer und Radiostrahlung überein. Mindestens neunzehn Observatorien seien in der Lage gewesen, das Ereignis zu verfolgen. Damit habe die Herkunft des aufgezeichneten Neutrinosignals eindeutig ermittelt werden können: Die Quelle war laut „Scientific American“ bereits unter dem Namen „TXS 0506+056“, Spitzname „Texas Quelle“, bekannt. Beobachtungen im optischen Wellenlängenbereich hätten ergeben, dass sie schon knapp zwei Monate vor der Neutrino-Beobachtung immer heller geworden sei. Physikalisch sei die Quelle als Blazar, als aktiver Galaxienkern, identifiziert worden. Darunter versteht man die Zentralregion einer Galaxie, die ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergt, das Materie verschlingt und dabei ungeheure Mengen von Energie freisetzt. Aktive Galaxienkerne zählen zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum. Blazare sind innerhalb dieser Spezies die wiederum hellsten Vertreter, da sie geometrisch so ausgerichtet sind, dass die gebündelte Strahlung in Richtung der Erde ausgesandt wird. Sofern die Informationen des „Scientific American“ stimmen, ist es das erste Mal, dass ein solch vollständiges Set von Beobachtungen eines Blazars vorliegt. Darüber hinaus sei es das erste Mal, dass ein hochenergetisches Neutrino in Bezug auf Zeitpunkt und Herkunftsrichtung zusammen mit ähnlich hochenergetischen Gammastrahlen nachgewiesen werden konnte.

Der Ursprung hochenergetischer kosmischer Strahlung

Warum letztere Tatsache besonders interessant sein könnte, erfährt man in einem Überblicksartikel des wissenschaftlichen Leiters von IceCube, Francis Halzen, der 2016 in „Nature Physics“ erschienen ist. Dort schildert Halzen, inwiefern eine Lokalisierung der Quelle kosmischer Neutrinos dabei helfen kann, eine der prominentesten offenen Fragen der Astrophysik zu beantworten: Was ist die Quelle hochenergetischer kosmischer Strahlung?

Für diejenigen Teilchen der kosmischen Strahlung, die aus unserer eigenen Galaxie stammen, meint man die Antwort zu kennen: Stoßwellen von Supernova-Explosionen und Jets von Schwarzen Löchern und Pulsaren werden als Herkunftsorte und Beschleuniger dieser Strahlung angenommen. Dagegen gibt es zum Ursprung der noch energiereicheren extragalaktischen Strahlung bislang noch keine abschließende Antwort. Das Problem bei der Beantwortung der Frage liegt darin, dass die Teilchen der kosmische Strahlung selbst auf ihrem Weg zur Erde so stark abgelenkt werden, dass sie keinen Aufschluss mehr über ihren Herkunftsort geben können. Helfen könnten hier tatsächlich die Neutrinos, denn theoretisch weiß man, dass Neutrinos und kosmische Strahlung in einem engen Zusammenhang stehen: Wenn kosmische Strahlung mit Materie und elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt, werden Neutrinos produziert. Bestätigt wird dieser theoretische Zusammenhang experimentell dadurch, dass die Energiedichte der Neutrinos, die von IceCube gemessen wurde, mit derjenigen extragalaktischer kosmischer Strahlung übereinstimmt, so wie die theoretischen Modelle vorhersagen.

Gammablitze oder aktive galaktische Kerne?

Dieser Befund scheint damit nahe zu legen, dass Neutrinos und extragalaktische kosmische Strahlung tatsächlich einen gemeinsamen Ursprung besitzen, so wie auch hochenergetische elektromagnetische Strahlung im Gamma-Bereich, die ebenfalls als Signatur des Beschleunigungsprozesses erwartet wird. Eine Strategie für die Suche nach den Quellen extragalaktischer kosmischer Strahlung ist daher, nach Quellen zu suchen, die gleichzeitig anhand von Gammastrahlung und Neutrinos sichtbar sind. Gammablitze, hochenergetische Strahlungsausbrüche wie beispielsweise im vergangenen Jahr im Zuge der kollidierenden Neutronensterne beobachtet, sind naheliegende Kandidaten für derartige Quellen.

Entsprechend suchte IceCube bei mehr als tausend solcher Gammablitze nach einem zugehörigen Neutrinosignal – vergeblich. Es gibt allerdings noch ein anderes kosmisches Phänomen, das als mögliche gemeinsame Quelle von Neutrinos und Gammastrahlung und damit als Beschleuniger für extragalaktische kosmische Strahlung in Betracht gezogen wird: aktive Galaxienkerne. So fragte Francis Halzen vor zwei Jahren in „Nature Physics“: „Sind Blazare die endgültige Antwort? Die gute Neuigkeit ist, dass IceCube schließlich Blazare anhand der Akkumulation vieler Ereignisse dadurch identifizieren können wird, dass mehrere Neutrinos von derselben Quelle nachgewiesen werden.“

Halzens Spekulation könnte nun durch die vermeldete Neutrino-Beobachtung eines solchen Blazars gestützt werden. Die wissenschaftliche Veröffentlichung der Ergebnisse lässt allerdings noch auf sich warten – die Entdeckung wurde von amerikanischen Astronomen offenbar vor einer offiziellen Verlautbarung von IceCube an die Presse weitergegeben. Das volle Ausmaß der wissenschaftlichen Erkenntnisse, die dieser Meilenstein der Multi-Messenger-Astronomie ermöglichen kann, und zu denen nicht zuletzt auch federführend deutsche Wissenschaftler insbesondere am DESY beigetragen haben, wird sich daher wohl erst in Kürze zeigen. Insbesondere darf man gespannt sein, was das Ergebnis tatsächlich über den Ursprung extragalaktischer kosmischer Strahlung aussagen kann. Eines scheint aber klar: mit der Verkündung einer neuen „Multi-Messenger“-Ära der Astronomie im vergangenen Herbst wurde nicht zu viel versprochen, auch über den Bereich der Gravitationswellen-Astronomie hinaus.

Quelle: FAZ.NET
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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