In dieser künstlerischen Darstellung beschleunigt ein Blazar Protonen, die Pionen produzieren, die Neutrinos und Gammastrahlen produzieren. Neutrinos sind immer das Ergebnis einer hadronischen Reaktion wie der hier gezeigten. Gammastrahlen können sowohl in hadronischen als auch in elektromagnetischen Wechselwirkungen erzeugt werden. (ICECUBE / NASA)

Eine kosmische Premiere: Ultrahochenergetische Neutrinos aus lodernden Galaxien im ganzen Universum gefunden

1987 entdeckten wir Neutrinos aus einer anderen Galaxie in einer Supernova. Nach 30 Jahren Wartezeit haben wir etwas noch Besseres gefunden.

Eines der großen Geheimnisse der Wissenschaft besteht darin, nicht nur zu bestimmen, was da draußen ist, sondern auch, was die Signale erzeugt, die wir hier auf der Erde entdecken. Seit über einem Jahrhundert wissen wir, dass das Zippen durch das Universum kosmische Strahlen sind: hochenergetische Teilchen, die weit über unsere Galaxie hinaus stammen. Während einige Quellen für diese Partikel identifiziert wurden, bleibt die überwiegende Mehrheit von ihnen, einschließlich derjenigen, die am energischsten sind, ein Rätsel.

Bis heute hat sich das alles geändert. Bei der Zusammenarbeit mit IceCube am 22. September 2017 wurde ein hochenergetisches Neutrino entdeckt, das am Südpol ankam und dessen Quelle identifizieren konnte. Als eine Reihe von Gammastrahlenteleskopen auf dieselbe Position blickte, sahen sie nicht nur ein Signal, sondern identifizierten auch einen Blazar, der in diesem Moment zufällig aufflammte. Endlich hat die Menschheit mindestens eine Quelle entdeckt, die diese ultraenergetischen kosmischen Teilchen erzeugt.

Wenn sich Schwarze Löcher von Materie ernähren, erzeugen sie eine Akkretionsscheibe und einen dazu senkrechten bipolaren Strahl. Wenn ein Strahl eines supermassiven Schwarzen Lochs auf uns zeigt, nennen wir ihn entweder ein BL Lacertae-Objekt oder einen Blazar. Es wird jetzt angenommen, dass dies eine Hauptquelle sowohl für kosmische Strahlung als auch für hochenergetische Neutrinos ist. (NASA / JPL)

Das Universum ist überall, wo wir hinschauen, voller Dinge, die man betrachten und mit denen man interagieren kann. Materie verklumpt zu Galaxien, Sternen, Planeten und sogar Menschen. Strahlung strömt durch das Universum und deckt das gesamte elektromagnetische Spektrum ab. Und in jedem Kubikzentimeter des Weltraums finden sich Hunderte von gespenstischen Partikeln mit winziger Masse, die als Neutrinos bekannt sind.

Zumindest konnten sie gefunden werden, wenn sie mit einer nennenswerten Häufigkeit mit der normalen Materie interagierten, die wir manipulieren können. Stattdessen müsste ein Neutrino ein Lichtjahr Blei durchlaufen, um eine 50/50-Aufnahme einer Kollision mit einem Teilchen zu erhalten. Für Jahrzehnte nach seinem Vorschlag im Jahr 1930 konnten wir das Neutrino nicht nachweisen.

Reaktorkernversuch RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, zeigt die charakteristische Cherenkov-Strahlung der emittierten Partikel, die schneller als Licht im Wasser sind. Die Neutrinos (oder genauer Antineutrinos), die 1930 erstmals von Pauli angenommen wurden, wurden 1956 aus einem ähnlichen Kernreaktor nachgewiesen. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

1956 entdeckten wir sie erstmals, indem wir Detektoren direkt außerhalb von Kernreaktoren aufstellten, nur wenige Meter von dem Ort entfernt, an dem Neutrinos produziert werden. In den 1960er Jahren bauten wir ausreichend große Detektoren - unterirdisch, abgeschirmt von anderen kontaminierenden Partikeln -, um die Neutrinos zu finden, die von der Sonne und durch Kollisionen kosmischer Strahlen mit der Atmosphäre erzeugt werden.

Dann, 1987, war es nur Zufall, der uns eine Supernova gab, die so nah bei uns zu Hause war, dass wir Neutrinos daraus erkennen konnten. Experimente, die für völlig unabhängige Zwecke durchgeführt wurden, entdeckten die Neutrinos von SN 1987A und leiteten damit die Ära der Multi-Messenger-Astronomie ein. Soweit wir es beurteilen konnten, reisten Neutrinos mit Energien, die von der Lichtgeschwindigkeit nicht zu unterscheiden waren, durch das Universum.

Der Rest der Supernova 1987a befindet sich in der großen Magellanschen Wolke, etwa 165.000 Lichtjahre entfernt. Die Tatsache, dass Neutrinos Stunden vor dem ersten Lichtsignal eintrafen, lehrte uns mehr über die Dauer, die Licht benötigt, um sich durch die Schichten einer Supernova des Sterns auszubreiten, als über die Geschwindigkeit, mit der sich Neutrinos fortbewegen, die von der Lichtgeschwindigkeit nicht zu unterscheiden war. Neutrinos, Licht und Schwerkraft scheinen sich jetzt alle mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen. (NOEL CARBONI & DER PHOTOSHOP DER ESA / ESO / NASA PASST FÜR LIBERATOR)

30 Jahre lang waren die Neutrinos dieser Supernova die einzigen Neutrinos, von denen wir jemals bestätigt hatten, dass sie von außerhalb unseres eigenen Sonnensystems stammen, geschweige denn von unserer Heimatgalaxie. Das heißt aber nicht, dass wir keine weiter entfernten Neutrinos erhalten haben. es bedeutete einfach, dass wir sie nicht mit einer bekannten Quelle am Himmel identifizieren konnten. Obwohl Neutrinos nur sehr schwach mit Materie interagieren, interagieren sie eher, wenn sie eine höhere Energie haben.

Hier kommt das IceCube-Neutrino-Observatorium ins Spiel.

Das IceCube-Observatorium, das erste Neutrino-Observatorium seiner Art, wurde entwickelt, um diese schwer fassbaren, energiereichen Partikel unter dem antarktischen Eis zu beobachten. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Tief im Eis des Südpols umschließt IceCube einen Kubikkilometer festes Material und sucht nach diesen nahezu masselosen Neutrinos. Wenn Neutrinos die Erde passieren, besteht die Möglichkeit einer Wechselwirkung mit einem Teilchen darin. Eine Wechselwirkung führt zu einer Ansammlung von Partikeln, die unverwechselbare Signaturen im Detektor hinterlassen sollten.

In dieser Abbildung hat ein Neutrino mit einem Eismolekül interagiert und ein Sekundärteilchen - ein Myon - erzeugt, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit im Eis bewegt und eine Spur von blauem Licht hinterlässt. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

In den sechs Jahren, in denen IceCube läuft, haben sie mehr als 80 hochenergetische kosmische Neutrinos mit Energien über 100 TeV entdeckt: mehr als das Zehnfache der höchsten Energien, die Partikel am LHC erreichen. Einige von ihnen haben sogar die PeV-Skala erreicht und dabei Energien erreicht, die tausendfach höher sind als die, die erforderlich sind, um selbst die schwersten der bekannten Grundpartikel zu erzeugen.

Trotz all dieser Neutrinos kosmischen Ursprungs, die auf der Erde angekommen sind, haben wir sie noch nie mit einer Quelle am Himmel verglichen, die einen endgültigen Ort bietet. Das Erkennen dieser Neutrinos ist eine enorme Leistung, aber wenn wir sie nicht mit einem tatsächlichen, beobachteten Objekt im Universum korrelieren können - zum Beispiel, das auch in irgendeiner Form von elektromagnetischem Licht beobachtet werden kann -, haben wir keine Ahnung, was sie erzeugt.

Wenn ein Neutrino im klaren Eis der Antarktis interagiert, entstehen Sekundärpartikel, die auf ihrem Weg durch den IceCube-Detektor eine Spur von blauem Licht hinterlassen. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Theoretiker hatten kein Problem damit, Ideen zu entwickeln, darunter:

  • Hypernovae, die superleuchtendste aller Supernovae,
  • Gammastrahlenexplosionen,
  • flackernde schwarze Löcher,
  • oder Quasare, die größten aktiven schwarzen Löcher im Universum.

Aber es würde Beweise brauchen, um zu entscheiden.

Ein Beispiel für ein hochenergetisches Neutrino-Ereignis, das von IceCube erkannt wurde: Ein 4,45-PeV-Neutrino, das 2014 auf den Detektor traf. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO-BEOBACHTUNG / NSF / UNIVERSITÄT WISCONSIN-MADISON)

IceCube verfolgt und veröffentlicht Releases mit jedem ultrahochenergetischen Neutrino, das sie gefunden haben. Am 22. September 2017 wurde ein weiteres solches Ereignis gesehen: IceCube-170922A. In der veröffentlichten Veröffentlichung wurde Folgendes angegeben:

Am 22. September 2017 entdeckte IceCube ein spurartiges Ereignis mit sehr hoher Energie und hoher Wahrscheinlichkeit, astrophysikalischen Ursprungs zu sein. Das Ereignis wurde durch die Auswahl der Streckenereignisse für extrem hohe Energie (EHE) identifiziert. Der IceCube-Detektor befand sich in einem normalen Betriebszustand. EHE-Ereignisse haben typischerweise einen Neutrino-Interaktionsscheitelpunkt, der sich außerhalb des Detektors befindet, erzeugen ein Myon, das das Detektorvolumen durchquert, und haben ein hohes Lichtniveau (ein Proxy für Energie).
Kosmische Strahlen duschen Partikel, indem sie Protonen und Atome in der Atmosphäre treffen, aber sie emittieren aufgrund der Cherenkov-Strahlung auch Licht. Indem wir sowohl kosmische Strahlen vom Himmel als auch Neutrinos beobachten, die auf die Erde treffen, können wir Zufälle verwenden, um die Ursprünge beider aufzudecken. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Dieses Bestreben ist nicht nur für Neutrinos interessant, sondern allgemein für kosmische Strahlen. Trotz der Tatsache, dass wir seit mehr als einem Jahrhundert Millionen kosmischer Strahlen hoher Energien gesehen haben, verstehen wir nicht, woher die meisten von ihnen stammen. Dies gilt für Protonen, Kerne und Neutrinos, die sowohl an der Quelle als auch über Kaskaden / Schauer in der Atmosphäre erzeugt werden.

Aus diesem Grund ist es faszinierend, dass IceCube neben der Warnung auch Koordinaten für die Entstehung dieses Neutrinos am Himmel an folgender Position angegeben hat:

  • RA: 77,43 ° (-0,80 ° / + 1,30 ° 90% PSF-Einschluss) J2000
  • Dez: 5,72 ° (-0,40 ° / + 0,70 ° 90% PSF-Einschluss) J2000

Und das führte Beobachter, die versuchten, Follow-up-Beobachtungen über das elektromagnetische Spektrum durchzuführen, zu diesem Objekt.

Künstlerische Darstellung des aktiven galaktischen Kerns. Das supermassereiche Schwarze Loch in der Mitte der Akkretionsscheibe sendet einen schmalen, energiereichen Materiestrahl senkrecht zur Scheibe in den Raum. Ein etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernter Blazar ist der Ursprung dieser kosmischen Strahlen und Neutrinos. (DESY, SCIENCE COMMUNICATION LAB)

Dies ist ein Blazar: ein supermassives Schwarzes Loch, das sich derzeit im aktiven Zustand befindet, sich von Materie ernährt und sie auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt. Blazare sind wie Quasare, aber mit einem wichtigen Unterschied. Während Quasare in jede Richtung ausgerichtet werden können, hat ein Blazar immer einen seiner Jets direkt auf die Erde gerichtet. Sie werden Blazare genannt, weil sie direkt auf dich "lodern".

Dieses besondere Blazar ist als TXS 0506 + 056 bekannt, und als eine Reihe von Observatorien, darunter das Fermi-Observatorium der NASA und das bodengestützte MAGIC-Teleskop auf den Kanarischen Inseln, Gammastrahlen sofort entdeckten.

Ungefähr 20 Observatorien auf der Erde und im Weltraum machten Follow-up-Beobachtungen des Ortes, an dem IceCube das Neutrino vom vergangenen September beobachtete, was die Identifizierung dessen ermöglichte, was Wissenschaftler als Quelle für Neutrinos mit sehr hoher Energie und damit für kosmische Strahlung betrachten. Neben Neutrinos umfassten die Beobachtungen im gesamten elektromagnetischen Spektrum Gammastrahlen, Röntgenstrahlen sowie optische und Radiostrahlung. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Nicht nur das, sondern als die Neutrinos ankamen, befand sich der Blazar in einem aufflammenden Zustand, der den aktivsten Abflüssen eines solchen Objekts entsprach. Da die Abflüsse ihren Höhepunkt und ihre Ebbe erreicht haben, haben die mit IceCube verbundenen Forscher vor dem Aufflackern am 22. September 2017 die Aufzeichnungen eines Jahrzehnts durchgesehen und nach Neutrino-Ereignissen gesucht, die von der Position von TXS 0506 + 056 herrühren würden.

Der sofortige Fund? Neutrinos kamen von diesem Objekt in mehreren Ausbrüchen über viele Jahre hinweg an. Durch die Kombination von Neutrino-Beobachtungen mit elektromagnetischen Beobachtungen konnten wir zuverlässig feststellen, dass hochenergetische Neutrinos von Blazaren produziert werden und dass wir sie auch aus so großer Entfernung erfassen können. TXS 0506 + 056 befindet sich, wenn Sie neugierig waren, etwa 4 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Blazar TXS 0506 + 056 ist die erste identifizierte Quelle für hochenergetische Neutrinos und kosmische Strahlen. Diese Abbildung basiert auf einem Orion-Bild der NASA und zeigt die Position des Blazars am Nachthimmel direkt neben der linken Schulter des Sternbilds Orion. Die Quelle ist ungefähr 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. (ICECUBE / NASA / NSF)

Eine enorme Menge kann allein aus dieser einen Multi-Messenger-Beobachtung gelernt werden.

  • Es wurde gezeigt, dass Blazare mindestens eine Quelle kosmischer Strahlung sind.
  • Um Neutrinos zu produzieren, benötigen Sie zerfallende Pionen, die von beschleunigten Protonen produziert werden.
  • Dies liefert den ersten endgültigen Beweis für die Protonenbeschleunigung durch Schwarze Löcher.
  • Dies zeigt auch, dass der Blazar TXS 0506 + 056 eine der leuchtendsten Quellen im Universum ist.
  • Schließlich können wir anhand der begleitenden Gammastrahlen sicher sein, dass kosmische Neutrinos und kosmische Strahlen zumindest manchmal einen gemeinsamen Ursprung haben.
Kosmische Strahlen, die von hochenergetischen Astrophysikquellen erzeugt werden, können die Erdoberfläche erreichen. Wenn ein kosmischer Strahl mit einem Teilchen in der Erdatmosphäre kollidiert, erzeugt er einen Schauer von Teilchen, die wir mit Arrays auf dem Boden erkennen können. Endlich haben wir eine wichtige Quelle entdeckt. (ASPERA COLLABORATION / ASTROPARTICLE ERANET)

Laut Frances Halzen, Hauptforscherin des IceCube-Neutrino-Observatoriums,

Es ist interessant, dass in der Astrophysik ein allgemeiner Konsens darüber bestand, dass Blazare wahrscheinlich keine Quellen für kosmische Strahlung sind, und hier sind wir… Die Fähigkeit, Teleskope weltweit zu marshallen, um eine Entdeckung mit einer Vielzahl von Wellenlängen und in Verbindung mit einem Neutrino-Detektor zu machen wie IceCube markiert einen Meilenstein in dem, was Wissenschaftler als "Multi-Messenger-Astronomie" bezeichnen.

Die Ära der Multi-Messenger-Astronomie ist offiziell da, und jetzt haben wir drei völlig unabhängige und komplementäre Sichtweisen auf den Himmel: mit Licht, mit Neutrinos und mit Gravitationswellen. Wir haben erfahren, dass Blazare, die einst als unwahrscheinlicher Kandidat für die Erzeugung energiereicher Neutrinos und kosmischer Strahlen galten, tatsächlich beides erzeugen.

Dies ist der künstlerische Eindruck eines entfernten Quasars 3C 279. Die bipolaren Jets sind ein häufiges Merkmal, aber es ist äußerst ungewöhnlich, dass ein solcher Jet direkt auf uns gerichtet ist. In diesem Fall haben wir einen Blazar, von dem nun bestätigt wurde, dass er sowohl energiereiche kosmische Strahlung als auch ultrahochenergetische Neutrinos liefert, die wir seit Jahren sehen. (ESO / M. KORNMESSER)

Mit dieser Entdeckung wird offiziell ein neues wissenschaftliches Gebiet eröffnet, das der hochenergetischen Neutrinoastronomie. Neutrinos sind nicht länger ein Nebenprodukt anderer Wechselwirkungen oder eine kosmische Neugier, die kaum über unser Sonnensystem hinausgeht. Stattdessen können wir sie als grundlegende Sonde des Universums und der Grundgesetze der Physik selbst verwenden. Eines der Hauptziele beim Aufbau von IceCube war die Identifizierung der Quellen energiereicher kosmischer Neutrinos. Mit der Identifizierung des Blazars TXS 0506 + 056 als Quelle sowohl für diese Neutrinos als auch für Gammastrahlen ist dies ein kosmischer Traum, der endlich verwirklicht wurde.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.