Neutrino-Fabriken identifiziert in der spaceRedaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Würzburg astronews.com18. Juli 2022
Woher kommt die kosmische Strahlung? Diese Frage beschäftigt die Astrophysik seit mehr als einem Jahrhundert. Die Antwort hängt eng mit dem Ursprung bestimmter Neutrinos zusammen, die an den Geburtsorten der kosmischen Strahlung produziert werden. Nun konnte ein Forscherteam erstmals zeigen, dass diese Neutrinos von Blazern stammen.
Künstlerische Darstellung eines Blazars, der kosmische Strahlung, Neutrinos und Photonen auf hohe Energien beschleunigt. Foto: Benjamin Amend [Groansicht]
Die Erdatmosphäre wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Es besteht aus elektrisch geladenen Teilchen mit Energien von bis zu 1020 Elektronenvolt. Das ist millionenfach mehr als die Energie, die im leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider bei Genf, erreicht wird. Hochenergetische Teilchen kommen aus den Tiefen des Weltraums, sie haben Milliarden von Lichtjahren zurückgelegt. Woher kommen sie, warum schießen sie mit solch ungeheurer Wucht um das Universum? Diese Fragen gehören seit über einem Jahrhundert zu den größten Herausforderungen der Astrophysik.
Die Geburtsorte der kosmischen Strahlung produzieren Neutrinos. Sie sind schwer nachweisbare neutrale Teilchen. Sie haben fast keine Masse und interagieren kaum mit Materie. Sie durchziehen das Universum und können fast spurlos Galaxien, Planeten und den menschlichen Körper durchqueren. „Astrophysikalische Neutrinos treten nur bei Prozessen auf, bei denen kosmische Strahlung beschleunigt wird“, erklärt Astrophysik-Professorin Sara Buson von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Das macht diese Neutrinos zu einzigartigen Boten, die den Weg für die Lokalisierung der Quellen kosmischer Strahlung ebnen.
Trotz der großen Datenmenge, die Astrophysiker gesammelt haben, ist die Zuordnung hochenergetischer Neutrinos zu den astrophysikalischen Quellen, aus denen sie stammen, seit Jahren ein ungelöstes Problem. Buson hat dies immer als eine spannende Herausforderung gesehen. 2017 stellte der Forscher zusammen mit anderen Kollegen erstmals einen Blazar, nämlich TXS 0506 + 056, als angebliche Quelle von Neutrinos im Fachblatt Science vor. Blazare sind aktive galaktische Kerne, die von supermassiven Schwarzen Löchern gespeist werden, die viel mehr Strahlung abgeben als ihre gesamte Galaxie. Die Veröffentlichung löste eine wissenschaftliche Debatte darüber aus, ob es wirklich einen Zusammenhang zwischen Blazaren und hochenergetischen Neutrinos gibt.
Nach diesem spannenden ersten Schritt startete Busons Gruppe im Juni 2021 mit Unterstützung des Europäischen Forschungsrates ein ehrgeiziges Multi-Messenger-Forschungsprojekt. Ziel ist es, verschiedene Signale („Boten“, zum Beispiel Neutrinos) im Universum zu analysieren. Das Hauptziel besteht darin, den Ursprung astrophysikalischer Neutrinos zu klären und möglicherweise Blazare als erste Quelle hochenergetischer extragalaktischer Neutrinos zu identifizieren. Das Projekt zeigt nun erste Erfolge: In einer neuen Studie berichten Buson und seine Gruppe, der frühere Postdoktorand Raniere de Menezes und Andrea Tramacere von der Universität Genf, dass Blazare mit astrophysikalischen Neutrinos mit einem Grad an beispielloser Sicherheit assoziiert sind.
„Wir verwenden Neutrinodaten, die vom IceCube Neutrino-Observatorium in der Antarktis – dem empfindlichsten Neutrino-Detektor, der derzeit in Betrieb ist – und einem Katalog von astrophysikalischen Objekten, die mit Sicherheit als Blazer identifiziert wurden, erhalten wurden“, erklärt Buson. „Wir haben eine Kreuzkorrelationsanalyse zwischen den Datenproben durchgeführt und starke Beweise dafür gefunden, dass eine Teilmenge von Blazern die beobachteten hochenergetischen Neutrinos produziert. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies ein Zufall ist, ist sehr gering, nur 6 · 10-7, also weniger als einer von einer Million. Die Ergebnisse liefern zum ersten Mal unwiderlegbare Beobachtungsbeweise dafür, dass die Untergruppe der PeVatron-Blazer Quellen extragalaktischer Neutrinos und daher Beschleuniger für kosmische Strahlung sind. Die Entdeckung dieser hochenergetischen Neutrinofabriken ist laut Buson ein Meilenstein für die Astrophysik: „Sie bringt uns der Lösung des jahrhundertealten Rätsels um die Entstehung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher.“
Trotz dieses Erfolgs ist sich der Forscher bewusst, dass noch viel zu tun bleibt. Er zitiert den Wissenschaftler Blaise Pascal aus dem 17. Jahrhundert: „Wissen ist wie eine Kugel: Je größer sein Volumen, desto stärker sein Kontakt mit dem Unbekannten.“ Das gilt auch für Busons Forschung: „Was wir beobachten, ist nur die Spitze des Eisbergs, möglicherweise nur die hellsten und effizientesten Neutrino-Emitter.“
Tatsächlich habe sich die statistische Analyse nur auf die vielversprechendsten IceCube-Neutrinodaten konzentriert, sagt er. Buson sagt voraus, dass ausgefeiltere Analysetechniken zu mehr Entdeckungen führen werden. Schon der aktuelle Fund gibt neue Rätsel auf: „Was macht diese Gruppe von Blazern unter den Tausenden vergleichbarer Objekte in unserem Universum so besonders?
Buson und sein Team berichten über ihre Ergebnisse in einem Artikel, der in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde.