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Vielleicht wissen wir endlich, woher die 'Geisterteilchen' kommen, die uns umgeben

2020

Geisterteilchen, auch als Neutrinos bekannt, sind buchstäblich überall - Billionen von ihnen, von denen jede kaum eine Masse aufweist, passieren gerade Ihren Körper. Wir verstehen jedoch sehr wenig darüber, wie diese Partikel funktionieren. Das ist eine absolute Schande, denn sie könnten der Schlüssel zur Erklärung einiger der größten Geheimnisse des Universums sein, einschließlich der Frage, warum es ein Universum gibt.

Wir haben gerade einen großen Schritt nach vorne gemacht, um diese Fragen zu beantworten. In zwei neuen Veröffentlichungen, die am Donnerstag in Science veröffentlicht wurden, gab ein internationales Forscherteam von Hunderten bekannt, dass sie Beweise für die Ursprünge dieser winzigen, schwer fassbaren Partikel gefunden haben: riesige, ovale Galaxien, sogenannte Blazare. Die Ergebnisse zeigen auf, was subatomare Teilchen wie Neutrinos als hochenergetische kosmische Strahlen durch den Raum schleudern.

„Wir beobachten kosmische Neutrinos seit 2013“, sagt Francis Halzen, Physiker an der Universität von Wisconsin-Madison und leitender Wissenschaftler des IceCube Neutrino Observatory, das die neuen Erkenntnisse vorantrieb. "Wir hatten keine Ahnung, woher sie kamen."

Der Schlüssel zu dieser neuesten Entdeckung bestand darin, herauszufinden, mit welchen anderen energiereichen Ereignissen Neutrinos in Verbindung gebracht werden könnten. Hier kommt die Multi-Messenger-Astronomie ins Spiel: die Untersuchung astrophysikalischer Ereignisse anhand verschiedener Signale. Wenn Sie beispielsweise versuchen, so viel wie möglich über eine Dynamitexplosion zu lernen, würden Sie nicht einfach eine Aufnahme mit Ihrem Telefon machen. Sie möchten Beobachtungen in verschiedenen Wellenlängen des Lichts machen, Audioaufnahmen machen und vieles mehr. In der Astronomie bedeutet Multi-Messenger die Beobachtung von Signalen, die sich auf elektromagnetische Strahlung, Gravitationswellen, Neutrinos und kosmische Strahlung beziehen.

„Neutrinos weisen auf ihre Quellen zurück“, sagt Halzen, „und deshalb haben wir versucht, ihre Ankunftsrichtungen mit bekannten Quellen, einschließlich Blazern, in Verbindung zu bringen. Dies war nicht erfolgreich, bis wir diese Multi-Messenger-Kampagne gestartet haben. “

IceCube, ein kilometergroßes Teleskop, das sich unter einer Meile Eis am Südpol befindet, läuft seit 2011 und hat mit seinen mehreren tausend Sensoren jährlich fast 100.000 Neutrinos beobachtet. Sein ausdrücklicher Zweck ist es, Neutrinos in der Nähe oder in der Ferne zu finden (und im Falle dieser neuesten Beobachtung sehr weit). Es ist ein leistungsstarkes Observatorium zur Verfolgung von Elementarteilchen, aber wenn wir versuchen, Neutrinos mit anderen Signalen zu verbinden, um den Ursprungspunkt zu finden, müssen wir uns an andere Instrumente wenden, um Hilfe zu erhalten.

IceCube ist mit einem Alarmsystem ausgestattet, das ausgelöst wird, wenn extrem energiereiche Neutrinos erkannt werden. Dieses Alarmsystem leitet Koordinaten an andere Teleskope auf der ganzen Welt weiter und fordert sie auf, Beobachtungen durchzuführen.

Für diese Untersuchung fand IceCube am 22. September 2017 ein sehr hohes Neutrino-Ereignis. Das umlaufende Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA und das Cherenkov-Teleskop mit atmosphärischer Gammabildgebung auf den Kanarischen Inseln wurden in Alarmbereitschaft versetzt Gammastrahlen, die von einer Galaxie mit dem Namen TXS 0506 + 056 stammen - einem Blazar -, etwa 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, in der Nähe der linken oberen Ecke des Orion. Die Gammastrahlenaktivität, einige der stärksten, die Fermi jemals von dieser Quelle entdeckt hat, stimmte unglaublich gut mit den von IceCube gesendeten Neutrinokoordinaten überein.

Obwohl Blazare nicht die erwartete Quelle für Neutrinos waren, sind sie sinnvoll, wenn Sie erkennen, wie gut sie ihrem bösartig klingenden Namen gerecht werden. „In aktiven Galaxien treibt das supermassive Schwarze Loch zwei massive Jets an, die aus der Galaxie herausschießen und energiereiche Partikel sowie starke Strahlung und Magnetfelder transportieren“, erklärt Marcos Santander, Physiker und Astronom an der Universität von Alabama und Mitautor von die neuen Studien. "Blazare sind eine Art aktive Galaxie, bei der einer dieser Jets zufällig auf die Sichtlinie der Erde ausgerichtet ist, was bedeutet, dass wir auf den Jet 'im Lauf der Waffe' schauen." Diese Ausrichtung bedeutet, dass wir es können Beobachten Sie sehr energiereiche Strahlung, die sich über das gesamte elektromagnetische Spektrum ausbreitet, von Radiowellen über sichtbares Licht bis hin zu Gammastrahlen - Energien, die bei Blazaren das Zehn-Billionen-fache der Energie des sichtbaren Lichts erreichen. „Es ist bekannt, dass die starken Stoßwellen entlang des Blazar-Strahls energiereiche Partikel enthalten, die Gammastrahlen erzeugen und die kosmische Strahlung beschleunigen können“, sagt er.

Diese Jets sind für die Beschleunigung der kosmischen Strahlung verantwortlich, die hauptsächlich aus Protonen besteht. Wenn Protonen mit Photonen und Wasserstoff aus dem Blazar oder dem Schwarzlochstrahl interagieren, produzieren sie Neutrinos. "Neutrinos verfolgen also kosmische Strahlen", sagt Halzen. "Sie sind an der Hüfte gebunden."

Wenn wir verstehen, dass Neutrinos neben kosmischen Strahlen produziert werden, dann bedeutet das, dass sie dieselbe Herkunftsquelle haben müssen wie die kosmischen Strahlen selbst. "Während die kosmischen Strahlen, die wir erfassen, nicht auf ihre Quellen zurückweisen, weil ihre elektrische Ladung und ihr Weg durch Magnetfelder verzerrt sind, weisen die Neutrinos zurück auf den Ort, an dem sie erzeugt wurden", sagt Halzen. „Mit den Neutrinos konnten wir diese Quelle zusammen mit etwa zwanzig anderen Teleskopen lokalisieren.“

Das war der erste Beweis, den das Team brauchte. Als sie wussten, dass TXS 0506 + 056 die Quelle für den Neutrino-Nachweis am 22. September war, blickten die Forscher auf etwa 10 Jahre Archivdaten zurück und stellten fest, dass hochenergetische Neutrino-Bursts mit mehr als einem Dutzend anderer Fackeln zusammenfielen, die von diesem Blazar ausgehen kurze Spanne allein in den Jahren 2014 und 2015. Dies war der zweite Beweis. »Das hat alles geklärt«, sagt Halzen.

Es gibt natürlich Grund, vorsichtig mit den Ergebnissen umzugehen. Blazare waren lange Zeit eine mögliche Quelle für die Emission von Neutrinos, aber frühere Studien, die versuchten, Neutrinos an Blazare zu binden, blieben erfolglos. Es ist nicht ganz klar, warum TXS 0506 + 056 - was nicht einmal der hellste bekannte Gammastrahlen-Blazar ist - zu den Anforderungen passt, die andere nicht erfüllen konnten. Blazare können noch nicht als Neutrino-Fabriken bezeichnet werden.

"Ich glaube auch nicht, dass wir in der Lage sind zu sagen, es sind alles Wappen", sagt der Physiker Erik Blaufuss von der University of Maryland, ein weiterer Mitautor der Arbeiten. „Ich denke, dass es schwierig ist, anhand einer Stichprobe zu überzeugende Schlussfolgerungen für alle Blazer zu ziehen. Ich denke, es muss noch entschieden werden, ob diese Quelle etwas Besonderes ist oder nur die erste, die den Kopf aus dem Gras steckt und in Neutrinos hell genug ist, damit wir sie sehen können. “

Wenn energiereiches Handeln der Schlüssel zur Erklärung ist, warum Blazare Neutrinos emittieren, dann sollten wir die ähnlichen Ergebnisse, die sich aus Beobachtungen oder Starburst-Galaxien und Gammastrahlen-Ausbrüchen ergeben, ziemlich leicht erkennen können. Wenn nicht, dann bedeutet das, dass bei Blazaren etwas viel Spezifischeres und Exzentrischeres vor sich geht, als wir derzeit wissen.

Und selbst wenn wir uns nur vor Ort auf diesen Blazar konzentrieren, „ist dies sicherlich auch keine vergoldete Entdeckung“, sagt Blaufuss. Wissenschaftler verwenden in der Regel eine 5-Sigma-Schwelle, um etwas als „Entdeckung“ zu kennzeichnen. Bei den Analysen für diese beiden neuesten Artikel handelt es sich laut Blaufuss um 3-Sigma, was „Beweise“ bedeutet, aber nicht unbedingt eine Entdeckung. Ein 3-Sigma-Level bedeutet immer noch, dass Sie ziemlich sicher sein können, dass die Ergebnisse nicht zufällig generiert werden. Wenn es jedoch um Teilchenphysik geht, kann diese Art von Zufall immer noch zu misstrauischen Gefühlen führen. Die neuen Erkenntnisse begrüßen wir am besten mit vorsichtiger Begeisterung.

Im Moment sonnt sich das Team auch nur in seinen harten Bemühungen, die sich endlich auszahlen. „Es ist aufregend, einen Durchbruch bei einem der ältesten noch offenen Probleme der Astronomie zu schaffen“, sagt Halzen. „Dafür wurde IceCube gebaut. Dass unsere erste Quelle ein Blazar ist, war etwas überraschend, aber man kann nicht mit Fakten streiten. “

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