Vor ungefähr vier Milliarden Jahren, als der Planet Erde noch in den Kinderschuhen steckte, zeigte die Achse eines Schwarzen Lochs, das ungefähr eine Milliarde Mal so massereich war wie die Sonne, genau auf den Ort, an dem sich unser Planet am 22. September 2017 befinden würde.
Entlang der Achse schickte ein energiereicher Partikelstrahl Photonen und Neutrinos mit oder nahe der Lichtgeschwindigkeit in unsere Richtung. Das IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol entdeckte eines dieser subatomaren Partikel - das IceCube-170922A-Neutrino - und führte es auf einen kleinen Fleck im Sternbild Orion zurück und lokalisierte die kosmische Quelle: ein loderndes Schwarzes Loch von der Größe einer Milliarde Sonnen, 3, 7 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, bekannt als Blazar TXS 0506 + 056. Blazare sind seit einiger Zeit bekannt. Was nicht klar war, war, dass sie hochenergetische Neutrinos produzieren konnten. Noch aufregender war, dass solche Neutrinos noch nie auf ihre Quelle zurückgeführt wurden.
Die am 12. Juli 2018 von der National Science Foundation angekündigte erste Entdeckung der kosmischen Quelle energiereicher Neutrinos markiert den Beginn einer neuen Ära der Neutrinoastronomie. Seit 1976, als bahnbrechende Physiker erstmals versuchten, einen hochenergetischen Neutrinodetektor in großem Maßstab vor der Küste Hawaiis zu bauen, war IceCubes Entdeckung der triumphale Abschluss einer langen und schwierigen Kampagne von vielen Hunderten Wissenschaftlern und Ingenieuren gleichzeitig die Geburt eines völlig neuen Zweigs der Astronomie.
Das Sternbild Orion mit einem Bullauge an der Stelle des Blazars. (Silvia Bravo Gallart / Projekt_WIPAC_Kommunikation, CC BY-ND) Die Entdeckung von zwei unterschiedlichen astronomischen Botenstoffen - Neutrinos und Licht - ist ein eindrucksvoller Beweis dafür, wie die sogenannte Multimessenger-Astronomie die Hebelwirkung liefert, die wir benötigen, um einige der energetischsten Phänomene im Universum zu identifizieren und zu verstehen. Seit seiner Entdeckung als Neutrinoquelle vor weniger als einem Jahr wurde der Blazar TXS 0506 + 056 einer intensiven Prüfung unterzogen. Der damit verbundene Strom von Neutrinos liefert weiterhin tiefe Einblicke in die physikalischen Vorgänge in der Nähe des Schwarzen Lochs und in seinen starken Strahl aus Partikeln und Strahlung, der von seinem Standort direkt vor der Schulter des Orion fast direkt auf die Erde gerichtet ist.
Als drei Wissenschaftler in einem globalen Team von Physikern und Astronomen, die an dieser bemerkenswerten Entdeckung beteiligt waren, waren wir angezogen, an diesem Experiment wegen seiner Kühnheit, der physischen und emotionalen Herausforderung teilzunehmen, lange Schichten an einem brutal kalten Ort zu arbeiten und dabei teure, empfindliche Ausrüstung in Löcher gebohrt 1, 5 Meilen tief im Eis und damit alles funktioniert. Und natürlich für die aufregende Gelegenheit, die ersten zu sein, die in eine brandneue Art von Teleskop blicken und sehen, was es über den Himmel offenbart.
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In einer Höhe von mehr als 300 Metern und bei durchschnittlichen Sommertemperaturen, die selten eine kalte Temperatur von -30 Grad Celsius überschreiten, ist der Südpol möglicherweise nicht der ideale Ort, um etwas zu unternehmen, abgesehen davon, dass Sie damit prahlen, einen Ort zu besuchen, der so sonnig und hell ist, dass Sie Sonnenschutz benötigen für deine nasenlöcher. Wenn Sie jedoch feststellen, dass die Höhe auf eine dicke Schicht hochreinen Eises zurückzuführen ist, die aus mehreren hunderttausend Jahren unberührten Schneefalls besteht, und dass die niedrigen Temperaturen alles schön gefroren haben, wundert Sie das vielleicht nicht für Neutrino Teleskopbauer, die wissenschaftlichen Vorteile überwiegen das bedrohliche Umfeld. Der Südpol ist heute die Heimat des weltgrößten Neutrinodetektors IceCube.
März 2015: Das IceCube-Labor an der Südpolstation von Amundsen-Scott in der Antarktis beherbergt die Computer, die Rohdaten vom Detektor sammeln. Aufgrund der Zuweisung der Satellitenbandbreite erfolgt die erste Stufe der Rekonstruktion und Ereignisfilterung in diesem Labor nahezu in Echtzeit. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Es mag seltsam erscheinen, dass wir einen derart ausgeklügelten Detektor benötigen, da ungefähr 100 Milliarden dieser fundamentalen Partikel pro Sekunde durch Ihr Miniaturbild flitzen und mühelos durch die gesamte Erde gleiten, ohne mit einem einzigen irdischen Atom zu interagieren.
Tatsächlich sind Neutrinos die am zweithäufigsten vorkommenden Teilchen, nach den kosmischen Mikrowellen-Hintergrundphotonen, die vom Urknall übrig geblieben sind. Sie bestehen zu einem Viertel aus bekannten Grundpartikeln. Da sie jedoch kaum mit anderer Materie interagieren, sind sie wohl die am wenigsten verstandenen.
Um eine Handvoll dieser schwer fassbaren Teilchen zu fangen und ihre Quellen zu entdecken, benötigen Physiker große, kilometerweite Detektoren aus einem optisch klaren Material - wie Eis. Glücklicherweise stellte Mutter Natur diese makellose Eisplatte zur Verfügung, auf der wir unseren Detektor bauen konnten.
Das IceCube Neutrino Observatory misst ein Volumen von rund einem Kubikkilometer klarem Eis in der Antarktis mit 5.160 digitalen optischen Modulen (DOMs) in Tiefen zwischen 1.450 und 2.450 Metern. Das Observatorium enthält einen dicht instrumentierten Unterdetektor, DeepCore, und eine Oberflächenluftduschanordnung, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Am Südpol haben mehrere Hundert Wissenschaftler und Ingenieure über 5.000 einzelne Fotosensoren in 86 separaten, 1, 5 Meilen tiefen Löchern konstruiert und eingesetzt, die mit einem speziell entwickelten Heißwasserbohrer in der polaren Eiskappe geschmolzen wurden. In den sieben australischen Sommersaisonen haben wir alle Sensoren installiert. Das IceCube-Array wurde Anfang 2011 vollständig installiert und nimmt seitdem kontinuierlich Daten auf.
Diese Anordnung eisgebundener Detektoren kann sehr genau erfassen, wann ein Neutrino durchfliegt und mit einigen irdischen Partikeln interagiert, die schwache Muster von bläulichem Cherenkov-Licht erzeugen, die abgegeben werden, wenn sich geladene Partikel mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch ein Medium wie Eis bewegen.
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Die Achillesferse der Neutrinodetektoren besteht darin, dass andere Partikel, die aus der nahen Atmosphäre stammen, diese Muster des bläulichen Cherenkov-Lichts ebenfalls auslösen können. Um diese falschen Signale zu eliminieren, werden die Detektoren tief im Eis vergraben, um Störungen herauszufiltern, bevor sie den empfindlichen Detektor erreichen können. Obwohl IceCube fast eine Meile von festem Eis entfernt ist, ist es immer noch einem Ansturm von etwa 2.500 solchen Partikeln pro Sekunde ausgesetzt, von denen jede plausibel auf ein Neutrino zurückzuführen sein könnte.
Da die erwartete Rate an interessanten, realen astrophysikalischen Neutrino-Wechselwirkungen (wie die von einem Schwarzen Loch eintreffenden Neutrinos) bei etwa einem pro Monat liegt, standen wir vor einem gewaltigen Nadel-im-Heu-Stapel-Problem.
Die IceCube-Strategie besteht darin, nur Ereignisse mit einer derart hohen Energie zu betrachten, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass sie atmosphärischen Ursprungs sind. Mit diesen Auswahlkriterien und jahrelangen Daten entdeckte IceCube die astrophysikalischen Neutrinos, nach denen es lange gesucht hatte, konnte jedoch keine einzelnen Quellen - wie aktive galaktische Kerne oder Gammastrahlenexplosionen - unter den mehreren Dutzend hochenergetischen Neutrinos identifizieren hatte gefangen genommen.
Um die tatsächlichen Quellen herauszufinden, hat IceCube im April 2016 mit Hilfe des Astrophysical Multimessenger Observatory Network im US-Bundesstaat Penn mit der Verteilung von Neutrino-Ankunftsalarmen begonnen. Innerhalb der nächsten 16 Monate wurden 11 IceCube-AMON-Neutrinowarnungen über AMON und das Gamma-Ray-Coordinates-Netzwerk verteilt, nur wenige Minuten oder Sekunden nachdem sie am Südpol entdeckt wurden.
Am 22. September 2017 alarmierte IceCube die internationale Astronomie-Community über die Entdeckung eines energiereichen Neutrinos. Ungefähr 20 Observatorien auf der Erde und im Weltraum führten Folgebeobachtungen durch, die es ermöglichten, zu identifizieren, was Wissenschaftler für eine Quelle von Neutrinos mit sehr hoher Energie und damit für kosmische Strahlen halten. Neben Neutrinos wurden im gesamten elektromagnetischen Spektrum Gammastrahlen, Röntgenstrahlen sowie optische Strahlung und Radiostrahlung beobachtet. Diese Observatorien werden von internationalen Teams mit insgesamt mehr als 1.000 Wissenschaftlern betrieben, die von Förderorganisationen in Ländern auf der ganzen Welt unterstützt werden. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Die Warnmeldungen lösten eine automatisierte Abfolge von Röntgen- und Ultraviolettbeobachtungen mit dem Neil Gehrels Swift Observatory der NASA aus und führten zu weiteren Studien mit dem Fermi-Gamma-Ray-Weltraumteleskop und dem Nuclear Spectroscopic Telescope Array der NASA sowie 13 weiteren Observatorien auf der ganzen Welt.
Swift war die erste Einrichtung, die den aufflammenden Blazar TXS 0506 + 056 als mögliche Quelle des Neutrino-Ereignisses identifizierte. Das Fermi Large Area Telescopethen berichtete, dass sich der Blazar in einem flackernden Zustand befand und viel mehr Gammastrahlen emittierte als in der Vergangenheit. Als sich die Nachricht verbreitete, sprangen andere Observatorien enthusiastisch auf den Zug und es folgte eine breite Palette von Beobachtungen. Das bodengestützte MAGIC-Teleskop stellte fest, dass unser Neutrino aus einer Region stammt, die sehr energiereiche Gammastrahlen erzeugt (jede etwa zehn Millionen Mal energiereicher als ein Röntgenstrahl). Zum ersten Mal wurde ein solcher Zufall beobachtet. Andere optische Beobachtungen vervollständigten das Rätsel, indem sie die Entfernung zum Blazar TXS 0506 + 056 maßen: etwa vier Milliarden Lichtjahre von der Erde.
Mit der erstmaligen Identifizierung einer kosmischen Quelle von hochenergetischen Neutrinos ist ein neuer Ast am Astronomiebaum entstanden. Da die Hochenergie-Neutrinoastronomie mit mehr Daten, einer verbesserten Koordination zwischen den Observatorien und empfindlicheren Detektoren wächst, können wir den Neutrinohimmel immer genauer abbilden.
Und wir erwarten aufregende neue Durchbrüche in unserem Verständnis des Universums, wie zum Beispiel: die Lösung des jahrhundertealten Geheimnisses der Entstehung erstaunlich energetischer kosmischer Strahlen; Testen, ob die Raumzeit selbst schaumig ist, mit Quantenfluktuationen auf sehr kleinen Entfernungsskalen, wie es durch bestimmte Theorien der Quantengravitation vorhergesagt wird; und genau herauszufinden, wie kosmische Beschleuniger, wie jene um das Schwarze Loch TXS 0506 + 056, es schaffen, Teilchen auf solch atemberaubend hohe Energien zu beschleunigen.
20 Jahre lang hatte die IceCube Collaboration den Traum, die Quellen hochenergetischer kosmischer Neutrinos zu identifizieren - und dieser Traum ist nun Wirklichkeit geworden.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Doug Cowen, Professor für Physik und Professor für Astronomie und Astrophysik, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Columbia University
Derek Fox, außerordentlicher Professor für Astronomie und Astrophysik, Pennsylvania State University
