Schwarzes Loch schiesst Hochenergie-Teilchen auf Erde

Durchbruch in der Astronomie: Ein Forscherteam mit Schweizer Beteiligung hat den Ursprung eines Neutrino-Stroms entdeckt.

So funktionieren kosmische Beschleuniger. Video: Tamedia/DESY

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Tief im Weltall verbergen sich gigantische Beschleuniger, die Elektronen, Protonen und andere Atomkerne mit der millionenfachen Energie dessen ausstatten, was die besten irdischen Teilchenbeschleuniger erreichen. Bislang hatten die Astrophysiker nur eine blasse Vorstellung davon, wo diese Teilchen herkommen. Da sie elektrisch geladen sind, werden die Partikel von Magnetfeldern im Weltraum auf wilde Spiralbahnen gelenkt. Die Richtung, mit der sie auf die Erde treffen, gibt daher keinen Hinweis auf deren Herkunft.

Nun konnten mehrere Internationale Forscherteams mit vereinten Kräften erstmals eine Protonenkanone im Weltraum identifizieren. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Blazar. Dieser besteht aus einem supermassiven Schwarzen Loch, das im Zentrum einer Galaxie sitzt und zwei gebündelte Ströme aus Teilchen und Strahlung ins All schleudert. Einer der beiden Ströme ist zufällig auf die Erde gerichtet. Der nun im im Sternbild Orion identifizierte Blazar ist vier Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt — das entspricht rund einem Drittel des sichtbaren Universums. Bereits bekannt war, dass Blazare irgendwelche geladene Teilchen beschleunigen. Jetzt wurde erstmals nachgewiesen, dass mindestens in diesem Blazar auch die relativ schweren Protonen beschleunigt werden.

Auf die Spur des Blazars kamen die Astronomen dank flüchtigen und nahezu masselosen Teilchen, den Neutrinos. Diese entstehen unter anderem, wenn schnelle Protonen mit anderen Partikeln kollidieren, wie es bei den kosmischen Beschleunigern zu erwarten ist. Im Gegensatz zu Protonen sind Neutrinos elektrisch neutral und werden von intergalaktischen Magnetfeldern nicht abgelenkt. Die Richtung, mit der sie auf die Erde treffen, weist daher direkt auf die Position der kosmischen Beschleuniger. Da Neutrinos kaum mit Materie wechselwirken, durchqueren sie auf ihrer fast lichtschnellen Reise mühelos intergalaktische Staubwolken und ganze Galaxien. Das macht diese Partikel zu idealen Botschaftern von hochenergetischen Prozessen im Weltall.

Neutrino-Messstation: die IceCube-Forschungsstation am Südpol.

«Der österreichische Physiker Victor Hess hat die Existenz der hochenergetischen kosmischen Strahlung bereits 1912 nachgewiesen», sagt Teresa Montaruli vom Institut für Kern- und Teilchenphysik der Universität Genf, die mit ihrer Forschergruppe an den beiden im Fachmagazin Science publizierten Studien beteiligt ist. «Seither haben die Astronomen darüber gerätselt, wo im Universum diese Teilchen beschleunigt werden. Jetzt konnten wir erstmals die Herkunft der hochenergetischen Protonen aufzeigen.» Insgesamt haben an den Studien mehr als 300 Wissenschaftler aus 49 Instituten mitgewirkt, darunter auch Physiker von der ETH Zürich.

Der erste Schritt zur Identifizierung des Blazars als Protonenkanone gelang mit dem IceCube-Detektor am Südpol. Tausende Lichtdetektoren sind dort tief im klaren Eis der Antarktis installiert. Bereits 2013 wurden mit IceCube hochenergetische Neutrinos nachgewiesen, die wahrscheinlich von ausserhalb unserer Galaxie, der Milchstrasse, stammen. Diese Neutrinos kamen diffus aus allen Richtungen und liessen sich keinem Objekt zuordnen. Doch am 22. September 2017 ging IceCube ein hochenergetisches Neutrino ins Netz, das sich als vielversprechender entpuppen sollte.

Lichtspur im Eis weist auf kosmischen Beschleuniger

Stösst ein Neutrino auf einen Atomkern im antarktischen Eis, entsteht unter anderem ein schweres Elektron, ein so genanntes Myon. Dieses rast in Flugrichtung des Neutrinos weiter und hinterlässt eine bläuliche Lichtspur. Um sicher zu gehen, dass die Lichtspuren tatsächlich von Neutrinos stammen, nutzen die Astronomen den ganzen Erdball als Filter: Nur Neutrinos können durch die ganze Erde jagen und, von unten kommend, im Detektor nach oben laufende Lichtblitze auslösen. Lichtsignale, die vom Südpol in Richtung Erdinneres laufen, können dagegen von diversen anderen Teilchen stammen und werden ignoriert.

Grafik vergrössern 43 Sekunden nach der Detektion des Neutrinos vom 22. September war dessen Flugrichtung aus den Detektorsignalen automatisch rekonstruiert. Andere Beobachtungsprogramme wurden sofort alarmiert, darunter Röntgensatelliten und Gammastrahlen-Teleskope. Mit von der Partie waren die Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) auf La Palma, an denen Forscher um Adrian Biland vom Institut für Teilchenphysik und Astrophysik der ETH beteiligt sind.

Vor allem dank Messungen mit dem Weltraumteleskop Fermi und mit MAGIC konnten die Forscher den Blazar als Quelle des Neutrinos festnageln. «Traditionell basiert die Astrophysik auf der Beobachtung elektromagnetischer Strahlung wie sichtbarem Licht und Gammastrahlung», sagt Biland. «Dies wird derzeit erweitert zur sogenannten Multi-messenger Astronomy, bei der zusätzlich völlig andere Beobachtungskanäle verwendet werden. Dazu gehören neben Gravitationswellen auch Neutrinos.» Für den Physiker Marek Kowalski vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, ebenfalls einer der Studienautoren, ist die Entdeckung «ein Meilenstein für das junge Feld der Neutrino-Astronomie. Wir haben ein neues Fenster in das Hochenergie-Universum geöffnet.»

Das eine Neutrino war den Forschern allerdings nicht genug, um die Identifizierung des Blazars als Protonenbeschleuniger auszurufen. Sie durchforsteten die Daten von IceCube nach weiteren Signalen. Tatsächlich fanden Montaruli und ihr Team in den Archiven der Jahre 2014 und 2015 ein Dutzend weitere hochenergetische Neutrinos aus der Richtung des Blazars. Die Wahrscheinlichkeit, dass die entdeckten Neutrinos nur zufällig alle zugleich in Richtung des Blazars weisen, beträgt nun eins zu 5000. «Wir sind jetzt sehr zuversichtlich», sagt Montaruli, «dass wir wirklich eine Quelle der Neutrinos und somit auch der hochenergetischen kosmischen Protonen gefunden haben.»

Damit ist aber noch längst nicht alles geklärt. Laut Montaruli gibt es Abschätzungen, dass Blazare höchstens für zehn Prozent der hochenergetischen Teilchen verantwortlich sein können. Kowalski vermutet, «dass noch andere Arten von Quellen eine Rolle spielen, etwa explodierende Sterne, Gammastrahlenausbrüche oder verschmelzende Neutronensterne.»

Mechanismen zur Erzeugung der Partikel unbekannt

Trotz der Identifizierung dieses Blazars als Quelle sind laut Kowalski die Erzeugungsmechanismen der ernergiereichen Teilchen noch nicht bekannt: Wie werden sie beschleunigt, wo und wie wechselwirken sie mit anderen Partikeln, wie also entstehen die Neutrinos und die Gammastrahlung? Um diese Fragen zu klären, müssten Blazare detaillierter untersucht werden. «Dafür brauchen wir einen grösseren Detektor, der sensitiver ist als IceCube und mehr hochenergetische Neutrinos nachweisen kann. Wir von IceCube konzentrieren uns dabei auf den Detektor IceCube-Gen2 am Südpol, der ein zirka zehnmal grösseres Volumen für den Nachweis kosmischer Neutrinos liefern soll.»

Laut Biland werden zur Klärung der offenen Fragen auch bessere Gammastrahlen-Detektoren benötigt, etwa das aus mehr als Hundert Einzelteleskopen bestehende Cherenkov Telescope Array, das mit Schweizer Beteiligung in den nächsten fünf Jahren errichtet werden soll. Erst mit dieser neuen Generation an Teleskopen dürften die kosmischen Beschleuniger ihre Geheimnisse vollends preisgeben.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 12.07.2018, 17:14 Uhr

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