IceCube-Observatorium

Durchbruch für die Neutrino-Astronomie

Künstlerische Darstellung des aktiven Galaxienkerns. Das supermassive Schwarze Loch schickt einen energiereichen, scharf gebündelten Teilchenstrahl senkrecht ins All. Bild: DESY, Science Communication Lab

Die moderne Astronomie nutzt neben dem sichtbaren Licht auch Gravitationswellen oder Neutrinos, um das Universum besser zu verstehen. Nun ist es Forschern erstmals gelungen, den Ursprung eines hochenergetischen Neutrinos ausfindig zu machen – ein gigantisches schwarzes Loch in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung. Detektoren im ewigen Eis am Südpol machten das möglich.

Am Abend des 22. September 2017 löste eine Meldung aus der Antarktis hektische Betriebsamkeit bei einer Gruppe weltweit verstreuter Astrophysiker aus: der IceCube-Detektor hatte ein energiereiches Neutrino aus den Weiten des Alls eingefangen. Dem eigens dafür konstruierten Experiment gelang das nicht zum ersten Mal. Diesmal jedoch konnten die Physiker aus aller Welt mit ihren Teleskopen in die Richtung schauen, aus der das Neutrino stammte und eine vier Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie mit einem riesigen schwarzen Loch im Zentrum ins Visier nehmen. Das haben die Forscher jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Für Marek Kowalski von der Humboldt-Universität zu Berlin, Leiter der Neutrino-Astronomie beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, steht fest: "Das ist ein Meilenstein für das junge Feld der Neutrino-Astronomie."

Astrophysiker nutzen heute weit mehr als das sichtbare Licht, um kosmische Ereignisse, wie explodierende Sterne oder schwarze Löcher, die umeinander kreisen, zu beobachten. Diese Ereignisse senden eine Reihe von Boten aus, die nach langer Reise durch das Universum auch auf der Erde ankommen. Neben dem sichtbaren Licht können das zum Beispiel die energiereichen Gammastrahlen, Neutrinos und sogar Gravitationswellen sein. Die moderne Astrophysik versucht alle diese Boten  mit aufwändiger Technik aufzuspüren, um ein Bild von den Geschehnissen in unserem Universum zu bekommen.

Im Fall der Neutrinos ist das besonders schwierig. Sekündlich rauschen Milliarden der Teilchen durch jeden Quadrat-Zentimeter der Erdoberfläche ohne eine messbare oder gar spürbare Wirkung zu hinterlassen. Diese Sonderlinge der Teilchenphysik sind überall und interagieren kaum mit Materie. So gut wie alle Neutrinos, die uns umgeben, stammen sie aus dem Inneren der Sonne. Einige wenige jedoch sind Zeugen kosmischer Ereignisse, die viele Lichtjahre entfernt von der Erde stattgefunden haben. "Das Schöne an Neutrinos aus dem All ist, dass sie Magnetfelder, Staubwolken und alle anderen erdenklichen Hindernisse ignorieren", erklärt Kai Zuber, Neutrinoforscher von der Technischen Universität Dresden.

Teilchendetektor in der Antarktis

Extrasolare Neutrinos zeigen deshalb direkt auf ihren Entstehungsort. Das Problem ist nur, sie aus der Masse der Neutrinos herauszufischen. Dazu haben Forscher ein Neutrino-Observatorium nahe der Amundsen-Scott-Forschungsstation am Südpol gebaut (siehe Kasten). In mehreren Kilometern Tiefe sind hier über 5.000 hochempfindliche optische Messmodule eingelassen. Sie fangen besondere Lichtblitze in der Tiefe des ewigen Eises ein: die sogenannte Cherenkovstrahlung. Sie ist eine Art "Überschallknall des Lichts" als Folge der Kollision der schnellen Teilchen mit den Atomen des Südpol-Eises. Ist an einer solchen Kollision ein Neutrino beteiligt, berechnen IceCubes Computer aus den Daten dessen Energie und – ganz wichtig – die Flugrichtung des Neutrinos.

Seit April 2016 verfügt IceCube über ein Alarmsystem, das Astronomen in aller Welt sofort über die Energie und Richtung solcher Neutrinos informiert. Die Idee: so schnell wie möglich viele Teleskope und Messgeräte auf den Himmelsbereich zu richten, aus dem das Neutrino stammte. In eineinhalb Jahren hat IceCube zehn solcher Alarme veröffentlicht, und der vom 22. September 2017 brachte erstmals den erhofften Erfolg. In den folgenden Stunden und Wochen begann eine astronomische Ringfahndung, an der sich insgesamt 18 Experimente beteiligten. Darunter vier Weltraumteleskope, der Neutrino-Detektor ANTARES im Mittelmeer, das Cherenkov-Teleskop H.E.S.S. in Namibia und VLA, eines der größten Radioteleskope der Welt. Zusammen konnten sie aus der fraglichen Richtung Signale quer durch das elektromagnetische Spektrum einfangen, von Radiowellen über sichtbares Licht bis hin zur Gammastrahlung. So gelang es, die Quelle zu identifizieren, erzählt Marek Kowalski: "In unserem Fall haben wir eine aktive Galaxie gesehen, das ist eine große Galaxie mit einem riesigen Schwarzen Loch im Zentrum."

Galaxie mit einem riesigen schwarzen Loch

Astronomen nennen solche Erscheinungsformen Blazare. Senkrecht zu dem gigantischen Strudel, mit dem Materie ins schwarze Loch gesaugt wird, schießen gewaltige "Jets" ins All hinaus. Astrophysiker haben schon länger vermutet, dass in diesen Jets ein erheblicher Teil der kosmischen Teilchenstrahlung erzeugt wird. "Für diese Annahme haben wir jetzt einen entscheidenden Beleg geliefert," unterstreicht Kowalski. Dass IceCube zusammen mit den anderen Experimenten ein Neutrino aus einem Blazar identifizieren konnte, wird viele Astrophysiker ermutigen, diese Erklärung zu verfolgen. Erstmals ließ sich auf diese Weise der Herkunftsrichtung eines hochenergetischen kosmischen Neutrinos ein Himmelsobjekt zuordnen.

Nur ein einziges Mal zuvor war es gelungen, eine extrasolare Neutrinoquelle zu identifizieren: Im Februar 1987 erreichten sowohl Neutrinos als auch sichtbares Licht von der Supernova-Explosion SN 1987A die Erde. Es war ein Glückstreffer zu einer Zeit, da die Neutrino-Astrophysik noch in den Kinderschuhen steckte. Ganz anders schätzt Marek Kowalski die aktuelle Entdeckung ein: "Diese konzertierte Beobachtungsaktion ist ein wichtiger Erfolg der Multi-Messenger-Astronomie, also der Untersuchung des Kosmos mit Hilfe verschiedener Boten wie elektromagnetischer Strahlung, Gravitationswellen und Neutrinos."

Bei aller Euphorie bleiben die Physiker jedoch berufsmäßig skeptisch. Das Zusammentreffen des Neutrinos mit den Beobachtungen der Gamma-Aktivität könnte vielleicht doch nur ein Zufall sein. "Die Wahrscheinlichkeit,  dass es sich lediglich um eine zufällige Koinzidenz handelt, haben wir auf ungefähr 1 zu 1000 bestimmt", erklärt Anna Franckowiak vom DESY, die die statistische Analyse der unterschiedlichen Datensätze geleitet hat. Eine zweite Analyse, die die Forscher ebenfalls in Science veröffentlichten, ändert das Bild: Sie suchten in den IceCube-Daten der vergangenen Jahre nach Neutrinos aus der Richtung des Blazars. Und tatsächlich fanden sie mehr als ein Duzend Neutrinos zwischen September 2014 und März 2015. Damals gab es das weltweite Beobachtungssystem noch nicht. Zusammen mit dem Einzelergebnis vom September 2017 liefert IceCube damit den besten Beleg dafür, dass aktive Galaxien Quellen energiereicher kosmischer Neutrinos sind.

Das IceCube-Observatorium

Neutrinos durchqueren mühelos die gesamte Erde, ohne eine Spur zu hinterlassen. Nur ganz selten reagiert ein Neutrino mit seiner Umgebung. Um diese seltenen Ereignisse sichtbar zu machen, erfordert es gewaltige Detektoren. Für den IceCube-Detektor hat ein internationales Forscher-Konsortium unter Führung der Universität von Wisconsin in Madison (USA) darum 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt, jedes 2500 Meter tief. In diese Löcher wurden, verteilt über einen vollen Kubikkilometer, 5160 Lichtsensoren installiert. Diese registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei den seltenen Neutrino-Reaktionen im durchsichtigen Eis entstehen. Um dieses schwache Licht zu messen, ist ein klares Medium nötig – Eis. Deshalb ist die Technik an der Antarktis aufgebaut. Das große Eisvolumen über dem Teleskop ist das Medium, in dem diese schwachen Lichtblitze überhaupt erst wahrnehmbar werden.

Klar Soweit? Nr. 49 - Who you ganna call (Comic über IceCube)

Atrophysik in der Antarktis

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Original-Veröffentlichung in Science

Multimessenger Astronomy (DESY)

12.07.2018 , Michael Büker
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