Astronomen haben erstmals ein hochenergetisches Neutrino zu seiner kosmischen Quelle zurückverfolgt und damit ein jahrhundertealtes Rätsel gelöst.

Neutrinos sind nahezu masselose subatomare Teilchen, die keine elektrische Ladung haben und daher kaum mit ihrer Umgebung wechselwirken. Tatsächlich strömen Billionen dieser „Geisterteilchen“ jede Sekunde unbemerkt und ungehindert durch unseren Körper.

Die meisten dieser Neutrinos stammen von der Sonne. Aber ein kleiner Prozentsatz, der extrem hohe Energien aufweist, ist aus den Tiefen des Weltraums in unsere Gegend geschossen. Die Unbestimmbarkeit der Neutrinos hat die Astronomen bisher daran gehindert, den Ursprung dieser kosmischen Wanderer zu bestimmen – bis jetzt.

Beobachtungen des IceCube-Neutrino-Observatoriums am Südpol und einer Reihe anderer Instrumente ermöglichten es den Forschern, ein kosmisches Neutrino zu einem fernen Blazar zu verfolgen, einer riesigen elliptischen Galaxie mit einem sich schnell drehenden supermassiven schwarzen Loch in ihrem Herzen.

Und es gibt noch mehr. Kosmische Neutrinos gehen Hand in Hand mit kosmischer Strahlung, hochenergetischen geladenen Teilchen, die ständig auf unseren Planeten prallen. Die neue Entdeckung macht Blazare zu Beschleunigern zumindest einiger der sich am schnellsten bewegenden kosmischen Strahlen.

Stronomen haben sich seit der ersten Entdeckung der kosmischen Strahlung im Jahr 1912 darüber Gedanken gemacht. Sie scheiterten jedoch an der geladenen Natur der Teilchen, die dafür sorgt, dass die kosmische Strahlung auf ihrem Weg durch den Weltraum von verschiedenen Objekten hin und her gezogen wird. Der Erfolg kam schließlich durch die Nutzung der geradlinigen Reise eines mitreisenden Geisterteilchens.

„Wir haben mehr als ein Jahrhundert lang nach den Quellen der kosmischen Strahlung gesucht, und jetzt haben wir endlich eine gefunden“, sagte Francis Halzen, leitender Wissenschaftler am IceCube Neutrino-Observatorium und Physikprofessor an der Universität von Wisconsin-Madison, gegenüber Space.com.

Eine Teamleistung

IceCube, das von der U.S. National Science Foundation (NSF) verwaltet wird, ist ein spezieller Neutrinojäger. Die Anlage besteht aus 86 Kabeln, die sich in Bohrlöchern befinden, die etwa 2,5 Kilometer tief in das antarktische Eis reichen. Jedes Kabel wiederum enthält 60 basketballgroße „digitale optische Module“, die mit empfindlichen Lichtdetektoren ausgestattet sind.

Diese Detektoren sind so konzipiert, dass sie das charakteristische blaue Licht auffangen, das nach der Wechselwirkung eines Neutrinos mit einem Atomkern ausgesendet wird. (Dieses Licht wird von einem sekundären Teilchen ausgestrahlt, das bei der Wechselwirkung entsteht. Und falls Sie sich wundern sollten: Die Eisschicht verhindert, dass andere Teilchen als Neutrinos die Detektoren erreichen und die Daten verunreinigen.) Solche Ereignisse sind selten; IceCube entdeckt nur ein paar hundert Neutrinos pro Jahr, so Halzen.

Die Anlage hat bereits große Beiträge zur Astronomie geleistet. Im Jahr 2013 gelang IceCube beispielsweise der erste bestätigte Nachweis von Neutrinos von jenseits der Milchstraßengalaxie. Damals konnten die Forscher die Quelle dieser hochenergetischen Geisterteilchen noch nicht genau bestimmen.

Am 22. September 2017 hat IceCube jedoch ein weiteres kosmisches Neutrino aufgefangen. Es war extrem energiereich und wies eine Energie von etwa 300 Teraelektronenvolt auf – fast 50 Mal mehr als die Energie der Protonen, die durch den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Erde, den Large Hadron Collider, zirkulieren.

Nur eine Minute nach der Entdeckung sendete die Einrichtung eine automatische Benachrichtigung aus, in der sie andere Astronomen über den Fund informierte und die Koordinaten des Himmelsflecks übermittelte, der die Quelle des Teilchens zu beherbergen schien.

Die Gemeinschaft reagierte: Fast 20 Teleskope am Boden und im Weltraum durchsuchten den Fleck über das gesamte elektromagnetische Spektrum, von niederenergetischen Radiowellen bis zu hochenergetischen Gammastrahlen. Die kombinierten Beobachtungen verfolgten den Ursprung des Neutrinos zu einem bereits bekannten Blazar namens TXS 0506+056, der etwa 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Zum Beispiel zeigten Folgebeobachtungen durch verschiedene Instrumente – einschließlich des in der Erdumlaufbahn befindlichen Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA und des Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) auf den Kanarischen Inseln – einen starken Ausbruch von Gammastrahlen, der von TXS 0506+056 ausging.

Das IceCube-Team ging auch seine Archivdaten durch und fand mehr als ein Dutzend weiterer kosmischer Neutrinos, die vom selben Blazar zu stammen schienen. Diese zusätzlichen Teilchen wurden von den Detektoren zwischen Ende 2014 und Anfang 2015 aufgefangen.

„Alle Teile passen zusammen“, sagte Albrecht Karle, ein leitender IceCube-Wissenschaftler und Physikprofessor an der UW-Madison, in einer Erklärung. „Das Neutrino-Flare in unseren archivierten Daten wurde zu einer unabhängigen Bestätigung. Zusammen mit den Beobachtungen der anderen Observatorien ist dies ein zwingender Beweis dafür, dass dieser Blazar eine Quelle extrem energiereicher Neutrinos und damit hochenergetischer kosmischer Strahlung ist.“

Die Ergebnisse werden in zwei neuen Studien berichtet, die heute (12. Juli) online in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden. Sie finden sie hier und hier.

Multimessenger-Astrophysik auf dem Vormarsch

Blazare sind eine besondere Art von superluminösen aktiven Galaxien, die Zwillingsstrahlen aus Licht und Teilchen ausstoßen, von denen einer direkt auf die Erde gerichtet ist. (Das ist zum Teil der Grund, warum Blazare uns so hell erscheinen – weil wir uns in der Schusslinie der Jets befinden.)

Astronomen haben mehrere tausend Blazare im ganzen Universum identifiziert, von denen bisher keiner gefunden wurde, der Neutrinos auf uns schleudert, wie TXS 0506+056.

„Diese Quelle hat etwas Besonderes an sich, und wir müssen herausfinden, was es ist“, sagte Halzen gegenüber Space.com.

Das ist nur eine von vielen Fragen, die die neuen Ergebnisse aufwerfen. Halzen würde zum Beispiel auch gerne den Beschleunigungsmechanismus kennen: Wie genau bringen Blazare Neutrinos und kosmische Strahlung auf solch enorme Geschwindigkeiten?

Halzen äußerte sich optimistisch, dass solche Fragen in relativ naher Zukunft beantwortet werden können, und verwies auf die Leistungsfähigkeit der „Multimessenger-Astrophysik“ – die Verwendung von mindestens zwei verschiedenen Arten von Signalen, um den Kosmos zu untersuchen -, die in den beiden neuen Studien zu sehen ist.

Die Neutrino-Entdeckung folgt dicht auf einen anderen Multimessenger-Denkstein: Im Oktober 2017 gaben Forscher bekannt, dass sie eine Kollision zwischen zwei superdichten Neutronensternen analysiert haben, indem sie sowohl die elektromagnetische Strahlung als auch die Gravitationswellen beobachteten, die während des dramatischen Ereignisses ausgesendet wurden.

„Die Ära der Multimessenger-Astrophysik ist da“, sagte NSF-Direktor France Cordova in der gleichen Erklärung. „Jeder Bote – von elektromagnetischer Strahlung über Gravitationswellen bis hin zu Neutrinos – ermöglicht uns ein umfassenderes Verständnis des Universums und wichtige neue Einblicke in die stärksten Objekte und Ereignisse am Himmel.“

Follow Mike Wall on Twitter @michaeldwall and Google+. Folgen Sie uns auf @Spacedotcom, Facebook oder Google+. Ursprünglich veröffentlicht auf Space.com.