Astronomie Physiker spüren extreme Energiequelle im All auf

Mehr als 5000 lichtempfindliche Sensoren haben Physiker in einem Kubikkilometer des antarktischen Eispanzers versteckt.

(Foto: Martin Wolf (redfurwolf); IceCube Collaboration / NSF)
  • Physiker haben mit dem "Ice Cube"-Detektor am Südpol ein hochenergetisches Neutrino aufgespürt, und zugleich ermittelt, woher das ominöse Teilchen stammt.
  • Eine vier Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie soll Quelle des Partikels sein. Es ist das erste Mal, dass der Ursprung solcher hochenergetischen Teilchen beobachtet werden konnte.
  • Astronomen hoffen, den Weltraum mithilfe von Neutrinos künftig besser zu durchleuchten. Neutrinos können extrem weite Strecken zurücklegen, da sie nahezu alles ungehindert passieren.
Von Patrick Illinger

Vor vier Milliarden Jahren kam es in einer weit entfernten Galaxie zu einem gewaltigen Energieausbruch. Mit nahezu Lichtgeschwindigkeit schoss ein Strahl verschiedenster Partikel aus dem Zentrum dieser Galaxie, angetrieben womöglich von einem riesigen Schwarzen Loch. Der Strahl bestand aus einem Gemisch von Licht- und Gammaquanten sowie Atombausteinen und Elementarteilchen aller Art. Besonders viele der Teilchen waren sogenannte Neutrinos. Das sind die auf ersten Blick unscheinbarsten, nahezu masselosen, oft als "Geisterteilchen" bezeichneten Vertreter der Elementarteilchenwelt.

Ein besonders energiereiches Neutrino nahm Kurs auf die Erde. Vier Milliarden Jahre lang durchquerte das Partikel ungehindert die Weiten des Alls. Es raste durch Sternensysteme, Gaswolken und Magnetfelder, bis es am 22. September des vergangenen Jahres auf den Planeten Erde traf. Genauer gesagt: auf den Eispanzer der Antarktis. Hunderte Meter tief unter dem Südpol prallte das Neutrino auf ein gefrorenes Wassermolekül. Die Kollision war so heftig, dass eine Lawine hochenergetischer Elektronen und Lichtquanten losbrach und kilometerweit durch das Eis schoss. Genau an dieser Stelle, nicht weit vom Südpol entfernt, betreiben Physiker seit einigen Jahren den aufwendigsten Neutrino-Detektor, der je gebaut wurde. Und so blieb der Aufprall des Teilchens aus einer fernen Galaxie nicht unbemerkt.

Physiker und Astronomen von insgesamt 18 Observatorien entdeckten die erhöhte Strahlung

Mit dem Einschlag dieses Neutrinos beginnt eine neue Ära der Astronomie, glauben Physiker. "Ice Cube" (Eiswürfel) nennen die rund 300 an der Entdeckung beteiligten Forscher ihren Detektor. Das Eis am Südpol nutzen sie dabei als eine Art Prellbock. In 86 Bohrlöchern, jedes 2500 Meter tief, haben sie 5160 digitale Lichtsensoren versenkt. Ein kompletter Kubikkilometer des antarktischen Eises wurde mit diesen Messgeräten gespickt. Viele der Photosensoren haben am 22. September den Einschlag des Neutrinos gemessen, das 40 Mal so viel Energie hatte, wie die stärksten irdischen Teilchenbeschleuniger schaffen.

Indem sie den räumlichen und zeitlichen Verlauf des leuchtenden Teilchenschauers zurückverfolgten, konnten die Physiker auf die Flugrichtung des Neutrinos schließen. Dessen Ursprungsort lag im Sternbild Orion. Innerhalb von 30 Sekunden ging eine Alarmmeldung an Dutzende andere Observatorien auf der gesamten Welt, unter ihnen auch das im All stationierte, auf hochenergetische Gamma-Strahlung spezialisierte Weltraumteleskop Fermi. Einige Tage lang suchten all die anderen Späher den Himmel vergeblich ab. Dann, nach einer Woche, meldete das Fermi-Teleskop ganz in der Nähe des errechneten Ursprungs des Neutrinos eine erhöhte Strahlung. Sogleich richteten weitere Observatorien ihre Aufmerksamkeit auf den Fleck am Firmament, der seither TXS0506+056 genannt wird.

Physiker und Astronomen von insgesamt 18 Observatorien konnten die erhöhte Strahlung entdecken und sind mittlerweile zu mehr als 99 Prozent sicher, dass das Neutrino und die mit anderen Mitteln gemessene Energie von ein und demselben Objekt stammen. Diesen "Blazar", wie sie die Quelle des Energieausbruchs nennen, beschreiben die beteiligten Wissenschaftlergruppen an diesem Freitag im Fachmagazin Science. Hinter dem Blazar steckt vermutlich ein aktiver Galaxienkern, der einen pointierten Strahl hochenergetischer Partikel zufällig genau in Richtung Erde ausspeit. Dafür sprechen auch Daten des Zwillingsteleskops Magic, welches das Münchner Max-Planck-Institut für Physik auf der Kanareninsel La Palma betreibt. Es fand im Orion Gammastrahlung mit extremer Energie. Sollte sich die Übereinstimmung all dieser Messungen bestätigen, wäre es das erste Mal, dass der Einschlag eines Neutrinos mit Beobachtungen anderer Teleskope in Einklang gebracht werden kann. Von "Multi-Messenger-Astronomie" sprechen Experten - der Astronomie mit mehreren Boten.

Die hochenergetische Strahlung geht vermutlich von einem aktiven Galaxienkern aus (künstlerische Darstellung).

(Foto: DESY, Science Communication Lab)

Für die Himmelsforscher öffnet sich damit ein neues Fenster, durch das sie in die Weiten des Alls blicken können. "Neutrinos wirken wie Botschafter gewaltiger Prozesse in fernen Galaxien", schwärmt die Neutrino-Expertin Susanne Mertens, die an der TU München lehrt und am Max-Planck-Institut für Physik forscht. Vom "ultimativen Röntgenblick" spricht Marek Kowalski, ein leitender Wissenschaftler der 300-köpfigen Ice-Cube-Gruppe. Damit könnten die bislang rätselhaften Entstehungsorte kosmischer Strahlung im All aufgespürt werden. "Neutrinos ermöglichen uns, durch alles hindurchzuschauen, auch bislang unsichtbare Vorgänge und Objekte im Universum zu erfassen. Die Reichweite anderer Strahlung ist zu gering." Tatsächlich werden Lichtstrahlen sowie Röntgen- und Gammaquanten auf ihrem Weg durch das All von Materie und Gaswolken absorbiert. Und elektrisch geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen fliegen Kurven, sobald sie in Magnetfelder geraten. Einzig Neutrinos passieren all dies ungehindert. Sie sind ideale intergalaktische Raumschiffe. Man muss sie nur finden. Hierzu machen sich Physiker deren enorme Anzahl zunutze.

Die beteiligten Wissenschaftler wollen Tausende weitere Sensoren im Eis der Antarktis verstecken

Durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche schießen in jeder Sekunde Milliarden Neutrinos. Ihre Masse ist zwar klein, so klein, dass Physiker sie bis heute nicht beziffern konnten. Doch ist das Weltall so voll von ihnen, dass vermutet wird, Neutrinos könnten einen stattlichen Teil der bislang rätselhaften Dunklen Materie im All ausmachen. Um hochenergetische Neutrinos abzufangen, sind Detektoren mit viel Masse sowie eine Menge Geduld nötig.

Die Lichtsensoren sind zwei Kilometer tief im antarktischen Eis eingegraben.

(Foto: Ice Cube Collaboration / NSF)

Im Eis der Antarktis finden die Ice-Cube-Physiker zwar um die 200 Neutrinos pro Tag, doch die meisten davon haben nur wenig Energie und stammen von natürlichen Teilchenkollisionen in der Erdatmosphäre. Auf ein hochenergetisches Neutrino aus einer fernen Galaxie warten die Physiker mitunter wochenlang. Immerhin: Als der Physiker Wolfgang Pauli die Existenz von Neutrinos im Jahr 1930 erstmals für möglich hielt, fürchtete er noch, diese Teilchen könnten niemals in menschengemachten Experimenten beobachtet werden.

So gesehen, sind die Physiker am Südpol reich gesegnet. Sie haben sogar festgestellt, dass das antarktische Eis klarer als gedacht ist, was die leuchtenden Teilchenschauer eines Neutrinoeinschlags besser sichtbar macht. Die an Ice Cube beteiligten Wissenschaftler hoffen bereits darauf, Tausende weitere Lichtsensoren im antarktischen Eis zu versenken - in der Erwartung weitere Neutrinos als Botschafter ferner Galaxien aufzufangen.

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