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Münster (upm)

Forscher weisen erstmals Herkunft eines kosmischen Neutrinos nach

Elementarteilchen stammt aus drei Milliarden Lichtjahre entfernter Galaxie / Schwarzes Loch als Teilchenbeschleuniger
Das &quot;IceCube&quot;-Labor im Mondlicht<address>© Raffaela Busse</address>
Das "IceCube"-Labor im Mondlicht
© Raffaela Busse

Eine internationale „astronomische Ringfahndung“ ist jetzt von Erfolg gekrönt: Ein Forscherteam hat in einer Beobachtungskampagne erstmals eine kosmische Quelle energiereicher Neutrinos geortet. Auslöser der „Fahndung“ war ein einzelnes hochenergetisches Neutrino, das am 22. September 2017 im Eis der Antarktis durch das Neutrinoteleskop „IceCube“ nachgewiesen worden war. Teleskope auf der Erde und im Weltraum ermittelten anschließend den Ursprung dieses Elementarteilchens. Er liegt in einer drei Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie im Sternbild Orion, in der ein gigantisches Schwarzes Loch als natürlicher Teilchenbeschleuniger fungiert. An der Kampagne sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 18 astronomischen Observatorien beteiligt. Unter den Forschern ist Prof. Dr. Alexander Kappes vom Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU), der dem „IceCube“-Konsortium angehört. Die Arbeit ist aktuell in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Die Kampagne, die unter Federführung von Forschern in Deutschland durchgeführt wurde, liefert auch den ersten stichhaltigen Beleg für die Herkunft der energiereichsten Teilchen im Weltall, vorwiegend Protonen, die als sogenannte kosmische Strahlung fortwährend auf die Erdatmosphäre treffen. Energiereiche kosmische Neutrinos sind ein „Nebenprodukt“ aus der Beschleunigung der geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung. Daher impliziert die Beobachtung des Neutrinos, dass sogenannte aktive Galaxien – wie die als Herkunftsort ausgemachte Galaxie – auch die Beschleuniger dieser geladenen Teilchen sind, gleichsam kosmische Teilchenbeschleuniger.

Die konzertierte Beobachtungsaktion gilt bei Experten als wichtiger Erfolg der noch jungen „Multi-Messenger-Astronomie“, also der Untersuchung kosmischer Objekte mithilfe verschiedener Informationsträger („Messengers“) wie elektromagnetische Strahlung, Neutrinos und Gravitationswellen durch verschiedene Detektoren und Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum.

Das internationale „IceCube“-Team, das den Auslöser für die Ringfahndung gab, besteht aus rund 300 Wissenschaftlern aus zwölf Ländern und wird unter der Federführung der US-amerikanischen National Science Foundation betrieben. Deutschland stellt nach den USA das zweitstärkste Kontingent des „IceCube“-Teams. Neben Forschern des Deutschen Elektronen-Synchrotons (DESY, Standort Zeuthen bei Berlin) sind neun deutsche Universitäten beteiligt: die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, die Humboldt-Universität zu Berlin, die Ruhr-Universität Bochum, die Technische Universität Dortmund, die Universität Erlangen-Nürnberg, die Gutenberg-Universität Mainz, die WWU Münster, die Technische Universität München und die Bergische Universität Wuppertal.

Zum Hintergrund:

Neutrinos werden unter anderem bei der Kernfusion im Inneren der Sonne erzeugt. Durch eine Fläche so groß wie ein menschlicher Daumennagel fliegen in jeder Sekunde rund 60 Milliarden Sonnen-Neutrinos, allerdings ohne irgendeine Spur zu hinterlassen. Ihre geringe Reaktionsneigung macht den Nachweis dieser „Geisterteilchen“ extrem aufwendig und erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen nachzuweisen. Für den „IceCube“-Detektor haben Forscher darum 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt, jedes 2500 Meter tief. In diese Löcher haben sie, verteilt über einen vollen Kubikkilometer, 5160 Lichtsensoren versenkt. Diese registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei den seltenen Neutrino-Reaktionen im Eis entstehen.

Vor fünf Jahren hatte „IceCube“ zwar zum ersten Mal kosmische Neutrinos nachgewiesen, die weit höhere Energien als Sonnenneutrinos haben und daher von diesen unterscheidbar sind. Jedoch konnten die Wissenschaftler bis zu dem jetzigen „Fahndungserfolg“ keine Neutrino-Quelle orten.

Die "Überwinterer" Johannes Werthebach und Raffaela Busse vor dem "IceCube"-Labor. Beide kümmern sich derzeit am Südpol darum, dass die Computertechnik von "IceCube" fehlerfrei läuft.<address>© Johannes Werthebach</address>
Die "Überwinterer" Johannes Werthebach und Raffaela Busse vor dem "IceCube"-Labor. Beide kümmern sich derzeit am Südpol darum, dass die Computertechnik von "IceCube" fehlerfrei läuft.
© Johannes Werthebach
Die Arbeitsgruppe von Alexander Kappes an der WWU entwickelt derzeit einen neuen optischen Sensor für zukünftige Neutrino-Detektoren im Eis. Demnächst wird der Standort Münster zudem zum globalen Verbund an Computerclustern zählen, mit denen die mit „IceCube“ gewonnenen Daten ausgewertet werden. Derzeit ist die Physikerin Raffaela Busse aus der Arbeitsgruppe von Alexander Kappes für ein Jahr am Südpol. Dort kümmert sie sich gemeinsam mit Johannes Werthebach von der Technischen Universität Dortmund darum, dass die Computertechnik von „IceCube“ fehlerfrei funktioniert.

 

Originalarbeiten:

„Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A“; IceCube, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S, INTEGRAL, Kapteyn, Kanata, Kiso, Liverpool, Subaru, Swift, VERITAS, VLA; „Science“, 2018; DOI: 10.1126/science.aat1378

„Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert“; IceCube Collaboration; „Science“, 2018; DOI: 10.1126/science.aat2890

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