Etwa 47 Millionen Lichtjahre von Ihrem Sitzplatz entfernt spuckt das Zentrum einer mit schwarzen Löchern beladenen Galaxie namens NGC 1068 Ströme rätselhafter Partikel aus. Diese „Neutrinos“, auch bekannt als die notorisch schwer fassbaren „Geisterteilchen“, verfolgen unser Universum, hinterlassen aber kaum Spuren ihrer Existenz.
Unmittelbar nach ihrer Entstehung stürzen Bündel dieser unsichtbaren Teile über die kosmische Weite. Sie sausen an hellen Sternen vorbei, die wir sehen können, und rasen an Weltraumtaschen vorbei, die voller Wunder sind, die wir noch entdecken müssen. Sie fliegen und fliegen und fliegen, bis sie gelegentlich mit einem Detektor tief unter der Erdoberfläche zusammenstoßen.
Die Reise der Neutrinos ist nahtlos. Aber die Wissenschaftler warten geduldig auf ihre Ankunft.
Eingebettet in etwa 1 Milliarde Tonnen Eis, mehr als 2 Kilometer (1,24 Meilen) unter der Antarktis, liegt das IceCube Neutrino-Observatorium. Man könnte es einen Neutrino-Jäger nennen. Wenn irgendwelche Neutrinos ihre Party auf den kalten Kontinent übertragen, steht IceCube bereit.
In einem am Freitag in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel bestätigte das internationale Team hinter diesem ehrgeizigen Experiment, dass es Beweise für 79 „hochenergetische Neutrino-Emissionen“ gefunden hat, die aus der Nähe von NGC 1068 stammen, was die Tür für Neues öffnet – und endlos faszinierend – Arten von Physik. „Neutrino-Astronomie“ nennen es Wissenschaftler.
Es wäre ein Zweig der Astronomie, der das kann, was bestehende Zweige einfach nicht können.
Frontansicht des IceCube Lab in der Dämmerung, mit einem Sternenhimmel, der einen Blick auf die Milchstraße zeigt, und Sonnenlicht, das am Horizont verweilt.
Martin Wolf, IceCube/NSF
Bis heute hatten Physiker nur Neutrinos gezeigt, die entweder von der Sonne kamen; die Atmosphäre unseres Planeten; ein chemischer Mechanismus namens radioaktiver Zerfall; Supernovae; und – dank des ersten Durchbruchs von IceCube im Jahr 2017 – ein Blazar oder ein unersättliches supermassereiches Schwarzes Loch, das direkt auf die Erde gerichtet war. Eine Leere namens TXS 0506+056.
Mit dieser neu entdeckten Neutrinoquelle treten wir in eine neue Ära der Teilchengeschichte ein. Tatsächlich ist es laut dem Forschungsteam wahrscheinlich, dass Neutrinos, die von NGC 1068 stammen, bis zu Millionen, Milliarden, vielleicht sogar, haben Billionen die Menge an Energie, die Neutrinos enthalten, die in der Sonne oder Supernovae verwurzelt sind. Das sind atemberaubende Zahlen, denn im Allgemeinen sind solche gespenstischen Teilchen so mächtig, aber dennoch ausweichend, dass sich jede Sekunde Billionen und Abermillionen von Neutrinos direkt durch Ihren Körper bewegen. Du kannst es einfach nicht sagen.
Und wenn Sie ein Neutrino aufhalten wollten, müssten Sie es mit einem ein Lichtjahr breiten Bleiblock bekämpfen – obwohl selbst dann die Erfolgschancen gering wären. Die Nutzung dieser Partikel, ob NCG 1068-Version oder nicht, könnte es uns also ermöglichen, Bereiche des Kosmos zu durchdringen, die normalerweise außerhalb unserer Reichweite liegen.
Was jetzt?
Dieser Moment ist nicht nur gewaltig, weil er uns weitere Beweise für ein seltsames Teilchen liefert, dessen Existenz vor 1956 nicht einmal angekündigt wurde, sondern auch, weil Neutrinos wie Schlüssel zur Hinterbühne unseres Universums sind.
Sie haben die Fähigkeit, Phänomene aufzudecken und Rätsel zu lösen, die wir auf keine andere Weise lösen können, was der Hauptgrund dafür ist, dass Wissenschaftler überhaupt versuchen, die Neutrino-Astronomie zu entwickeln.
„Das Universum hat mehrere Möglichkeiten, mit uns zu kommunizieren“, sagte Denise Caldwell von der National Science Foundation und Mitglied des IceCube-Teams am Donnerstag gegenüber Reportern. „Elektromagnetische Strahlung, die wir als Licht von Sternen sehen, Gravitationswellen, die das Gewebe des Weltraums erschüttern – und Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen, die von lokalisierten Quellen ausgestoßen werden.
„Eines dieser Elementarteilchen waren Neutrinos, die das Universum durchdringen, aber leider sind Neutrinos sehr schwer zu entdecken.“
Tatsächlich sind sogar die Galaxie NGC 1068 und ihr gigantisches Schwarzes Loch normalerweise von einem dicken Staub- und Gasschleier verdeckt, was es schwierig macht, sie mit standardmäßigen optischen Teleskopen und Geräten zu analysieren – trotz jahrelanger Versuche von Wissenschaftlern, ihren Vorhang zu durchdringen. Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA könnte in diesem Fall aufgrund seiner Infrarotaugen einen Vorteil haben, aber Neutrinos könnten ein noch besserer Weg sein.
Diese Partikel, die voraussichtlich hinter solchen undurchsichtigen Bildschirmen erzeugt werden, die unser Universum filtern, können kosmische Informationen hinter diesen Bildschirmen tragen, über große Entfernungen zoomen, während sie mit im Wesentlichen keiner anderen Materie interagieren, und der Menschheit makellose, unberührte Informationen über schwer fassbare Ecken des Weltraums liefern.
„In gewisser Weise haben wir großes Glück, weil wir auf ein erstaunliches Verständnis dieses Objekts zugreifen können“, sagte Elisa Resconi von der Technischen Universität München und Mitglied des IceCube-Teams über NGC 1068.
In dieser künstlerischen Darstellung, die auf einem realen Bild des IceCube-Labors am Südpol basiert, emittiert eine entfernte Quelle Neutrinos, die von IceCube-Sensoren, sogenannten DOMs, unter dem Eis erfasst werden.
IceCube/NSF
Es ist auch bemerkenswert, dass es viel (viel) mehr Galaxien gibt, die NGC 1068 ähneln – kategorisiert als Seyfert-Galaxien – als Blazare, die TXS 0506+056 ähneln. Dies bedeutet, dass die neueste Entdeckung von IceCube für Neutrino-Astronomen wohl einen größeren Schritt nach vorne darstellt als die bahnbrechende Entdeckung des Observatoriums.
Vielleicht wurzelt der Großteil der Neutrinos, die durch das Universum diffundieren, in NGC 1068-Doppelgängern. Aber im Großen und Ganzen haben Neutrinos weit mehr zu bieten als nur ihre Quellen.
Diese Geister, wie Justin Vandenbroucke von der University of Wisconsin-Madison und ein IceCube-Teammitglied es ausdrückten, sind in der Lage, zwei große Rätsel der Astronomie zu lösen.
Zunächst einmal weisen eine Fülle von Galaxien in unserem Universum gravitativ monströse Hohlräume in ihren Zentren auf, schwarze Löcher, die Massen erreichen, die millionen- bis milliardenfach größer sind als die unserer Sonne. Und diese Schwarzen Löcher schießen, wenn sie aktiv sind, Lichtstrahlen aus ihren Eingeweiden – die genug Licht abgeben, um jeden einzelnen Stern in der Galaxie selbst zu überstrahlen. „Wir verstehen nicht, wie das passiert“, sagte Vandenbrouke schlicht. Neutrinos könnten eine Möglichkeit bieten, die Regionen um Schwarze Löcher herum zu untersuchen.
Zweitens ist das allgemeine, aber hartnäckige Rätsel der kosmischen Strahlung.
Wir wissen auch nicht wirklich, woher kosmische Strahlung kommt, aber diese Teilchenketten erreichen Energien, die millionenfach höher sind als wir hier auf der Erde mit von Menschen gebauten Teilchenbeschleunigern wie dem am CERN erreichen können.
“Wir glauben, dass Neutrinos eine Rolle spielen”, sagte Vandenbroucke. „Etwas, das uns dabei helfen kann, diese beiden Mysterien der Schwarzen Löcher, die sehr helle Galaxien antreiben, und der Ursprünge kosmischer Strahlung zu beantworten.“
Ein Jahrzehnt, um eine Handvoll zu fangen
Um es klar zu sagen: IceCube fängt Neutrinos nicht gerade ein.
Im Grunde sagt uns dieses Observatorium jedes Mal, wenn ein Neutrino zufällig mit dem Eis interagiert, das es umhüllt. „Neutrinos interagieren kaum mit Materie“, betonte Vandenbrouke. “Aber sie interagieren manchmal.”
Wenn Millionen von Neutrinos in die eisige Region schießen, in der IceCube aufgestellt ist, neigt mindestens eines dazu, auf ein Eisatom zu stoßen, das dann zersplittert und einen Lichtblitz erzeugt. IceCube-Sensoren erfassen diesen Blitz und senden das Signal an die Oberfläche, Benachrichtigungen, die dann von Hunderten von Wissenschaftlern analysiert werden.
Eine Darstellung des IceCube-Detektors zeigt die Wechselwirkung eines Neutrinos mit einem Eismolekül.
IceCube-Zusammenarbeit/NSF
Zehn Jahre Lichtblitzdaten ermöglichten es dem Team, ziemlich genau zu kartieren, woher jedes Neutrino am Himmel zu kommen scheint. Es wurde bald klar, dass sich genau dort, wo die Galaxie NGC 1068 stationiert ist, eine dichte Region mit Neutrino-Emissionen befand.
Aber selbst mit solchen Beweisen sagte Resconi, das Team wisse, „dass es nicht an der Zeit ist, den Champagner aufzumachen, weil wir noch eine grundlegende Frage zu beantworten haben. Wie oft ist diese Ausrichtung nur zufällig passiert? Wie können wir sicher sein, dass es sich tatsächlich um Neutrinos handelt von einem solchen Objekt kommen?”
Eine Himmelskarte des Scans nach Punktquellen in der nördlichen Hemisphäre, die zeigt, woher Neutrinos im gesamten Universum zu kommen scheinen. Der Kreis von NGC 1068 fällt auch mit dem insgesamt heißesten Punkt am Nordhimmel zusammen.
IceCube-Zusammenarbeit
Um die Dinge so konkret wie möglich zu machen und wirklich zu beweisen, dass diese Galaxie Geister ausspuckt, „haben wir 500 Millionen Mal dasselbe Experiment durchgeführt“, sagte Resconi.
Worauf, wie ich mir nur vorstellen kann, endlich eine Flasche Veuve geknallt wurde. Obwohl die Jagd noch nicht vorbei ist.
„Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche, was die Suche nach neuen Neutrinoquellen betrifft“, sagte Ignacio Taboada vom Georgia Institute of Technology und Mitglied des IceCube-Teams. „Es müssen noch viele andere Quellen weit tiefer als NGC 1068 sein, die sich irgendwo verstecken, um gefunden zu werden.“