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Durchbruch bei der Fahndung nach Teilchenbeschleunigern im Weltall

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)

Forscher verfolgen einzelnes Neutrino Milliarden Lichtjahre zurück

Eine internationale astronomische Ringfahndung ist jetzt von Erfolg gekrönt: Ein Forscherteam hat 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 16 astronomischen Observatorien beteiligt. Unter den Forschern sind Prof. Dr. Gisela Anton und Prof. Dr. Ulrich Katz vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics der FAU, die der IceCube-Kollaboration angehören. Die Arbeit ist jetzt in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht worden.*

Die Beobachtung, 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 sozusagen 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 mit Hilfe verschiedener Informationsträger, sogenannter Messengers wie elektromagnetischer 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, 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 Friedrich Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Gutenberg-Universität Mainz, die Technische Universität München, die Westfälische Wilhelms-Universität Münster und die Bergische Universität Wuppertal.

Über das IceCube-Teleskop

Für den IceCube-Detektor haben Forscher 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt, jedes 2500 Meter tief. In diese Löcher haben sie, verteilt über einen Kubikkilometer, 5160 Lichtsensoren eingelassen. Diese registrieren die schwachen Lichtblitze, die bei den seltenen Neutrino-Reaktionen im Eis entstehen.

Vor fünf Jahren hatte IceCube zwar zum ersten Mal kosmische Neutrinos nachgewiesen, jedoch konnten die Wissenschaftler bis zu dem jetzigen „Fahndungserfolg“ keine Neutrino-Quelle orten.

Die Neutrino-Astronomie hat am Erlangen Centre for Astroparticle Physics einen hohen Stellenwert und ist in ein starkes Umfeld der Multimessenger-Astronomie eingebunden, insbesondere durch enge Kooperation mit den FAU-Arbeitsgruppen an den Gamma-Teleskopen wie H.E.S.S. und CTA sowie Röntgenteleskopen wie XMM- Newton und eROSITA. Die Erlanger IceCube-Arbeitsgruppe von Prof. Anton und Prof. Katz befasst sich sowohl mit der Analyse von Daten des IceCube-Detektors als auch mit der Entwicklung von Sensoren für zukünftige Ausbaustufen von IceCube.

*DOI: 10.1126/science.aat1378

„Multiwavelength observations of a flaring blazar coincident with an IceCube high-energy neutrino“; 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.aat2890

„Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert; IceCube Collaboration“; Science, 2018

Weitere Informationen:

Ausführliche Pressemeldung vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY sowie Bild- und Videomaterial

Prof. Dr. Gisela Anton
Tel.: 09131/85- 27151
gisela.anton@physik.uni-erlangen.de

Prof. Dr. Uli Katz
Tel.: 09131/85-27072
uli.katz@physik.uni-erlangen.de

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