Astronomen ist es gelungen, die Herkunft eines kosmischen Neutrinos aufzuklären – zum ersten Mal überhaupt. Denn bisher war die Quelle dieser extrem energiereichen „Geisterteilchen“ unbekannt. Jetzt scheint das Rätsel gelöst. Denn das im Dezember 2012 registrierte Neutrino „Big Bird“ entstand offenbar bei einem dramatischen Ausbruch in einer fernen aktiven Galaxie, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.
Neutrinos sind die schnellsten, leichtesten und kontaktscheuesten unter den Elementarteilchen, denn sie gehen nur äußerst selten eine Wechselwirkung mit anderer Materie ein. Entsprechend schwierig ist es, diese „Geisterteilchen“ nachzuweisen, die in der Sonne, in der Erde und Atmosphäre, aber auch in kosmischen Quellen entstehen. Erst 2013 gelang es dem Neutrino-Observatorium IceCube in der Antarktis erstmals, kosmische Neutrinos nachzuweisen.
Woher stammt „Big Bird“?
Doch woher stammen diese besonders energiereichen und weitgereisten Neutrinos? Genau diese Frage könnten jetzt Matthias Kadler von der Universität Würzburg und seine Kollegen für ein solches Teilchen geklärt haben – zum ersten Mal überhaupt. Es handelt sich dabei um ein am 4. Dezember 2012 von IceCube registriertes Neutrino mit der Energie von mehr als zwei Petaelektronenvolt, dass von den Forschern auf den Namen „Big Bird“ getauft wurde.
Die Herkunftsbestimmung durch IceCube war ziemlich ungenau, daher konnte der Ursprung dieses kosmischen Neutrinos nur auf ein recht großes Himmelsareal mit einer Fläche von rund 64 Vollmonden eingegrenzt werden. „Die Ausgangssituation erinnerte an einen Kriminalfall“, berichtet Kadler. Und nun galt es, sozusagen den Tatort zu finden.
Blazar-Ausbruch als Quelle?
Bei ihrer Suche hatten die Astronomen jedoch bereits einen Verdächtigen: Etwa um die gleiche Zeit registrierte das NASA-Weltraumteleskop Fermi einen dramatischen Gammastrahlen-Ausbruch im Zentralgebiet der aktiven Galaxie PKS B1424-418. Dieser Blazar-Ausbruch wurde durch den Sturz großer Mengen Materie in ein supermassereiches Schwarzes Loch verursacht und hielt fast ein Jahr lang an.
Könnte dieses Ereignis auf die Quelle des Neutrinos „Big Bird“ gewesen sein? Immerhin lag der Ausbruch im potenziellen Herkunftsgebiet des Teilchens. „Wir waren konfrontiert mit einer Explosion ungeklärten Ursprungs, einem Verdächtigen, und einer Reihe verschiedener Indizienbeweise“, erklärt Kadler. Um Antworten zu finden, analysierten die Forscher nun Radiodaten, die im Rahme des TANAMI-Projekts vom Long Baseline Array (LBA) und anderen Radioteleskope erhoben wurden.
Vom Elektron zum Pion zum Neutrino
Und tatsächlich: Die Daten ergaben, dass auch die Radiostrahlung aus dieser Galaxie während des Gammastrahlen-Ausbruchs fast viermal heller wurde. „Es war ein unvergesslicher Moment, als wir realisierten, dass der dramatischste Blazar-Ausbruch, den wir in TANAMI je gesehen hatten, genau in diesem Feld und genau zur richtigen Zeit stattgefunden hatte“, erzählt Koautorin Felicia Krauß von der Universität Erlangen-Nürnberg.
Aus der vergleichenden Analyse aller Daten schlossen die Forscher, dass die Energie dieses Blazar-Ausbruchs ausreichte, um ein Neutrino im PeV-Energiebereich zu erzeugen. „Blazare sind in der Lage, in ihren Jets Protonen auf relativistische Energien zu beschleunigen“, erklärt Koautor Karl Mannheim von der Universität Würzburg. „Durch Wechselwirkung mit Licht können daraus Pionen erzeugt werden und aus dem Zerfall der Pionen entstehen dann sowohl Gammastrahlen als auch Neutrinos.“
Erster Nachweis des Ursprungs
Damit ist es erstmals gelungen, den Ursprung eines kosmischen Neutrinos bis zu seiner Quelle zurückzuverfolgen. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Blazar-Ausbruch und die Entstehung des Neutrinos nur zufällig zur gleichen Zeit am gleichen Ort stattfanden, beziffern die Astronomen auf nur fünf Prozent.
„Der Blazar hatte während seines Strahlungsausbruchs sozusagen die nötigen Mittel, ein Motiv und auch die passende Gelegenheit. Er ist deshalb unser Hauptverdächtiger für den Ursprung des Big Bird Neutrinos“, erklärt Kadler. (Nature Physics, 2016; doi: 10.1038/nphys3715)
(Julius-Maximilians-Universität Würzburg, 29.04.2016 – NPO)
