Erstmals Quelle kosmischer Neutrinos geortet

Künstlerische Darstellung des aktiven Galaxienkerns

Neutrinos sind rätselhafte Elementarteilchen, die Milliarden Lichtjahre durch das Weltall reisen und dabei mühelos ganze Galaxien durchqueren. Forscher haben nun erstmals eine Quelle hochenergetischer kosmischer Neutrinos geortet – in einer Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie.

Ausgelöst hat die gemeinsame Beobachtungskampagne ein einzelnes Neutrino, aufgezeichnet  vom Neutrinoteleskop IceCube am Südpol am 22. September 2017. Teleskope auf der Erde und im Weltraum konnten den Ursprung dieses exotischen Elementarteilchens in einer fast vier Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie im Sternbild Orion ermitteln. Dort fungiert ein gigantisches Schwarzes Loch als natürlicher Teilchenbeschleuniger.

Die Beobachtungskampagne ist ein entscheidender Schritt zur Lösung des mehr als 100 Jahre alten Rätsels: Woher genau kommen die energiereichen, subatomaren Teilchen, die als kosmische Strahlung fortwährend in die Erdatmosphäre hageln?

Spurensuche über vier Milliarden Lichtjahre

„Das ist ein Meilenstein für das junge Feld der Neutrino-Astronomie. Wir öffnen ein neues Fenster in das Hochenergie-Universum“, sagt Marek Kowalski, Leiter der Neutrino-Astronomie bei DESY und Forscher an der Humboldt-Universität zu Berlin. „Die konzertierte Beobachtungsaktion mit Instrumenten rund um den Globus ist auch ein wichtiger Erfolg der Multi-Messenger-Astronomie, also der Untersuchung des Kosmos mit Hilfe verschiedener Boten wie elektromagnetischer Strahlung, Gravitationswellen und Neutrinos.“

Die energiereichen Neutrinos entstehen nach Erwartung der Wissenschaftler unter anderem als eine Art Nebenprodukt in kosmischen Teilchenbeschleunigern – wie dem Materiestrudel gigantischer Schwarzer Löcher oder explodierenden Sternen – gemeinsam mit den elektrisch geladenen Atomkernen der kosmischen Teilchenstrahlung. Anders als diese Atomkerne werden die elektrisch neutralen Neutrinos auf ihrem Weg durchs Weltall jedoch nicht von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt – ihre Ankunftsrichtung weist daher direkt zu ihrer Quelle.

„Die Beobachtung kosmischer Neutrinos erlaubt Einblicke in solche Vorgänge, die für elektromagnetische Strahlung undurchsichtig sind“, ergänzt Klaus Helbing von der Bergischen Universität Wuppertal, Sprecher des deutschen IceCube-Verbunds. „Kosmische Neutrinos sind Boten aus dem Hochenergie-Universum.“

86 Löcher – 2.500 Meter tief gebohrt

Der Nachweis von Neutrinos ist extrem aufwendig. Die geisterhaften Elementarteilchen durchqueren mühelos selbst die komplette Erde, ohne eine Spur zu hinterlassen. Nur ganz selten reagiert ein Neutrino mit seiner Umgebung. Es erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen zu erwischen.

Für den IceCube-Detektor hat ein internationales Forscher-Konsortium unter Führung der Universität von Wisconsin in Madison (USA) darum 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt – jedes 2500 Meter tief. In diese Löcher installierten die Wissenschaftler über einen vollen Kubikkilometer 5160 Lichtsensoren. Die Sensoren registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei den seltenen Neutrino-Reaktionen im durchsichtigen Eis entstehen.

„Wir verstehen jetzt besser, wonach wir suchen müssen. Für die Zukunft heißt das, dass wir solche Quellen gezielter aufspüren können“, sagt Elisa Resconi von der Technischen Universität München, deren Gruppe wesentlich zu den Ergebnissen beigetragen hat. Über ein Jahrhundert nach der Entdeckung der kosmischen Strahlung durch Victor Hess im Jahr 1912 hat IceCube erstmals eine konkrete extragalaktische Quelle der energiereichen Teilchen geortet.

Bild: Künstlerische Darstellung des aktiven Galaxienkerns. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Akkretionsscheibe schickt einen energiereichen, scharf gebündelten Teilchenstrahl senkrecht ins All (Bild: DESY, Science Communication Lab).