Eine neue Karte des Universums, bemalt mit kosmischen Neutrinos

Die Originalversion von diese Geschichte erschien in Quanta-Magazin.

Von den 100 Billionen Neutrinos, die jede Sekunde durch uns hindurchgehen, stammen die meisten von der Sonne oder der Erdatmosphäre. Aber ein kleiner Teil der Teilchen – diejenigen, die sich viel schneller als der Rest bewegten – reiste von weiter entfernten mächtigen Quellen hierher. Seit Jahrzehnten suchen Astrophysiker nach dem Ursprung dieser „kosmischen“ Neutrinos. Jetzt hat das IceCube-Neutrino-Observatorium endlich genug davon gesammelt, um verräterische Muster ihrer Herkunft aufzudecken.

In einem Papier veröffentlicht im Juni in Wissenschaft, enthüllte das Team die erste Karte der Milchstraße in Neutrinos. (Normalerweise wird unsere Galaxie mit Photonen, Lichtteilchen, kartiert.) Die neue Karte zeigt einen diffusen Dunst kosmischer Neutrinos, die aus der gesamten Milchstraße stammen, aber seltsamerweise fallen keine einzelnen Quellen auf. „Es ist ein Rätsel“, sagte er Franz Halzender IceCube leitet.

Die Ergebnisse folgen einem IceCube-Studie vom letzten Herbstauch in Wissenschaft, das war der erste, der kosmische Neutrinos einer einzelnen Quelle zuordnete. Es zeigte sich, dass ein großer Teil der bisher vom Observatorium entdeckten kosmischen Neutrinos aus dem Herzen einer „aktiven“ Galaxie namens NGC 1068 stammt. Im leuchtenden Kern der Galaxie dreht sich Materie spiralförmig in ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch und erzeugt dabei irgendwie kosmische Neutrinos dabei.

„Es ist wirklich erfreulich“, sagte er Kate Scholberg, ein Neutrinophysiker an der Duke University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Sie haben tatsächlich eine Galaxie identifiziert. So etwas versucht die gesamte Gemeinschaft der Neutrino-Astronomie schon seit Ewigkeiten.“

Die Lokalisierung kosmischer Neutrinoquellen eröffnet die Möglichkeit, die Teilchen als neue Sonde der Grundlagenphysik zu nutzen. Forscher haben gezeigt, dass die Neutrinos dazu verwendet werden können, Risse im geltenden Standardmodell der Teilchenphysik zu öffnen und sogar Quantenbeschreibungen der Schwerkraft zu testen.

Doch die Identifizierung des Ursprungs zumindest einiger kosmischer Neutrinos ist nur ein erster Schritt. Es ist wenig darüber bekannt, wie die Aktivität um einige supermassereiche Schwarze Löcher diese Teilchen erzeugt, und bisher deuten die Beweise auf mehrere Prozesse oder Umstände hin.

Lang ersehnter Ursprung

Obwohl Neutrinos reichlich vorhanden sind, flitzen sie normalerweise durch die Erde, ohne eine Spur zu hinterlassen. Es musste ein gewaltiger Detektor gebaut werden, um genug von ihnen zu erkennen und Muster in den Richtungen zu erkennen, aus denen sie kommen. IceCube wurde vor 12 Jahren gebaut und besteht aus kilometerlangen Detektorreihen, die tief in das antarktische Eis gebohrt wurden. Jedes Jahr entdeckt IceCube etwa ein Dutzend kosmische Neutrinos mit einer so hohen Energie, dass sie sich deutlich vom Dunst atmosphärischer und solarer Neutrinos abheben. Anspruchsvollere Analysen können aus den restlichen Daten weitere mögliche kosmische Neutrinos herausfiltern.

Astrophysiker wissen, dass solche energiereichen Neutrinos nur entstehen können, wenn sich schnell bewegende Atomkerne, die sogenannte kosmische Strahlung, mit Material irgendwo im Weltraum kollidieren. Und nur sehr wenige Orte im Universum verfügen über Magnetfelder, die stark genug sind, um kosmische Strahlung auf ausreichende Energien zu bringen. Gammastrahlenausbrüche, ultrahelle Lichtblitze, die auftreten, wenn einige Sterne zur Supernova werden oder wenn Neutronensterne spiralförmig ineinander übergehen, galten lange Zeit als eine der plausibelsten Optionen. Die einzige wirkliche Alternative waren aktive galaktische Kerne oder AGNs – Galaxien, deren zentrale supermassereiche Schwarze Löcher Teilchen und Strahlung ausspucken, wenn Materie hineinfällt.