Neutrino-Quelle löst Rätsel um kosmische Strahlung

| Autor / Redakteur: Stefan Parsch und Walter Willems / Sebastian Gerstl

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

Über den Ursprung der kosmischen Strahlung rätseln Physiker seit ihrer Entdeckung vor über 100 Jahren. Nun haben Forscher eine Quelle ermittelt - mit Hilfe eines einzelnen mysteriösen Elementarteilchens.

In einem internationalen Großprojekt haben Astronomen erstmals eine Quelle hochenergetischer Neutrinos ermittelt - und damit auch der kosmischen Strahlung. Neutrinos - auch „Geisterteilchen“ genannt - queren Milliarden Lichtjahre durch das Universum und durchdringen Galaxien, Sterne und Planeten fast spurlos, weil sie mit Materie kaum wechselwirken. Als Quelle eines einzelnen solchen Neutrinos ermittelte ein großes Forscherteam nun eine fast vier Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie. Die im Fachblatt „Science“ veröffentlichte Entdeckung ist ein entscheidender Schritt zur Lösung des 100 Jahre alten Rätsels um den Ursprung der kosmischen Strahlung. Diese war im Jahr 1912 vom Österreicher Victor Hess entdeckt worden.

Die Strahlung prasselt ständig in die Erdatmosphäre. Da die meisten ihrer Teilchen elektrisch geladen sind, werden sie auf ihrem Weg durchs All von Magnetfeldern so verwirbelt, dass sich ihre Herkunft nicht mehr ermitteln lässt. Bei den elektrisch neutralen Neutrinos ist das nicht der Fall.

Als kosmische Neutrino-Quellen waren bisher die Sonne und die vor mehr als 30 Jahren beobachtete Supernova SN1987a bekannt. Deren registrierte Neutrinos hatten aber nur geringe Energien. Um den Ursprung solcher Elementarteilchen mit millionenfach höherer Energie aufzuspüren, hatten Forscher am Südpol den weltweit größten Teilchendetektor gebaut - das IceCube Neutrino Observatory.

Die Messtechnik: 5160 Sensoren in 2,5 Kilometer Tiefe

Forscher bohrten dort im Eis 86 Löcher, jeweils 2500 Meter tief. Darin installierten sie in einem Volumen von einem Kubikkilometer 5160 Lichtsensoren. Diese sollen im durchsichtigen Eis Lichtblitze - das sogenannte Tscherenkow-Licht - registrieren, die entstehen, wenn ein Neutrino auf Atomkern-Teilchen trifft. Durch die dreidimensionale Anordnung der Detektoren können Forscher die Richtung des Neutrinos bestimmen, das einen Lichtblitz hervorgerufen hat.

Pro Tag registriert IceCube etwa 200 Neutrinos, die aber fast ausschließlich in der Erdatmosphäre entstehen und nur geringe Energien haben. Im Jahr 2013 wurden erstmals hochenergetische, kosmische Neutrinos nachgewiesen, ihr Ursprung ließ sich allerdings nicht weiter bestimmen.

Am 22. September 2017 erfassten die Detektoren dann einen Lichtblitz, der eine wissenschaftliche Ringfahndung in Gang setzte. Mit einer Energie von etwa 290 Tera-Elektronenvolt hatte dieses einzelne Neutrino eine mehr als 40 Mal größere Energie als die Protonen im weltweit größten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider am europäischen Beschleunigerzentrum Cern bei Genf.

„In weniger als einer Minute stellten wir die Richtung fest, aus der es kam, und schickten dann ein Nachricht zu all den anderen Teleskopen“, erzählt Francis Halzen von der University of Wisconsin in Madison, wissenschaftlicher Leiter des IceCube-Projekts. Diese über die Erde verteilten Observatorien nahmen daraufhin die Herkunftsregion des Teilchens unter die Lupe, quer durch das gesamte elektromagnetische Spektrum - von Gammastrahlung über Röntgenstrahlung und sichtbares Licht bis hin zu Radiowellen.

Aktive Galaxie mit riesigem Schwarzen Loch im Zentrum

„Wir fanden eine aktive Galaxie, eine große Galaxie mit einem riesigen Schwarzen Loch im Zentrum“, sagt Marek Kowalski, Leiter der Neutrino-Astronomie am Forschungszentrum DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg und Zeuthen bei Berlin. Das Schwarze Loch der fast vier Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie mit der Katalognummer TXS 0506+056 rotiert schnell und sendet an den Polen der Rotationsachsen gigantische Licht- und Materiestrahlen mit fast Lichtgeschwindigkeit aus. Ist ein solcher Jet genau auf die Erde gerichtet, sprechen Astronomen von einem Blazar.

Manche Astrophysiker hatten schon vermutet, dass solche Jets einen erheblichen Teil der kosmischen Teilchenstrahlung erzeugen. „Für diese Annahme haben wir jetzt einen entscheidenden Beleg geliefert“, unterstreicht Elisa Resconi, Neutrino-Physikerin von der Technischen Universität München, die ebenfalls beteiligt war. „Jetzt haben wir zumindest eine Quelle, die hochenergetische kosmische Strahlung erzeugt, dadurch identifiziert, dass sie kosmische Neutrinos erzeugt“, sagt Projektleiter Halzen. Insgesamt wirkten an dem Projekt mehr als 300 Wissenschaftler aus 48 Forschungseinrichtungen in zwölf Ländern mit.

In einem zweiten „Science“-Artikel berichten Forscher der IceCube Collaboration, dass der Blazar, der im Sternbild Orion liegt, auch als Quelle für frühere, am Südpol registrierte Neutrinos in Frage kommt. Demnach wurden von September 2014 bis März 2015 über ein Dutzend Neutrinos erfasst, die mit hoher Wahrscheinlichkeit dem Blazar zugeordnet werden können. „Dies legt nahe, dass Blazare identifizierbare Quellen des hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoflusses sind“, schreiben die Forscher. Ob es noch andere Quellen für die kosmische Strahlung gibt, bleibt offen.

Demnach entstehen Neutrinos vermutlich als eine Art Nebenprodukt von geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung in Teilchenbeschleunigern wie dem Materiestrudel gigantischer Schwarzer Löcher oder explodierenden Sternen. „Das ist ein Meilenstein für das junge Feld der Neutrino-Astronomie“, sagt Kowalski. „Wir öffnen ein neues Fenster in das Hochenergie-Universum.“ Das soll jene bislang rätselhaften gewaltigen Prozesse erklären, die Teilchen mit enormer Energie durch das Universum pusten.

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