Abenteuer Astronomie

Die Einladung zur einer Pressekonferenz der National Science Foundation der USA, die in diesen Minuten beginnt, tat höchst geheimnisvoll – aber was dort (und in zwei wissenschaftlichen Arbeiten, die Abenteuer Astronomie bereits vorliegen, sowie einer Flut von Pressemitteilungen) ausgebreitet wird, ist im Wesentlichen bereits seit einem Dreivierteljahr öffentlich bekannt: Ein energiereiches kosmisches Neutrino, das der Riesendetektor IceCube am 22. September 2017 im Eis unter dem Südpol registriert hatte, kann mit ziemlicher Sicherheit einer bestimmten fernen Galaxie zugeschrieben werden. Ihr Kern war damals in einem sehr aktiven Zustand – und bereits ein paar Jahre vorher hat sie offenbar einen Schwall Neutrinos ausgesandt, wie jetzt in alten IceCube-Daten entdeckt wurde. Damit scheinen solche Aktiven Galaxien (und insbesondere die Blazare, die einen ihrer Strahlungskegel zufälligerweise direkt auf die Erde richten) als zumindest eine der Quellen des Neutrino-Hintergrunds im Weltraum – und auch gleich noch der Kosmischen Strahlung höchster Energie – etabliert. An diesem Erfolg waren außer IceCube mehrere Satelliten und Teleskope ganz unterschiedlicher Art auf der Erde beteiligt: ein weiterer Fall von „Multi-Messenger-Astronomie“, die immer wichtiger wird.

Der Neutrinodetektor IceCube besteht aus 86 senkrechten Kabeln, die jeweils 125 Meter voneinander entfernt tief ins sehr klare antarktische Eis versenkt wurden und je 60 hochempfindliche Lichtdetektoren tragen: Trifft ein (Muon-)Neutrino auf einen Atomkern in der Nähe, entsteht ein Muon – das im Eis, durch das es schneller als die dortige Lichtgeschwindigkeit rast, einen Kegel Cherenkov-Strahlung hinter sich her zieht. Die Bahn und der Herkunftsort des ursprünglichen Neutrinos lassen sich auf 1/2° am Himmel eingrenzen (Grafik oben). Das September-Neutrino hatte wegen besonders hoher Energie einen automatischen Alarm an zahlreiche Sternwarten ausgelöst, und noch in der Nacht war in einem Informationssystem für Hochenergie-Astronomen eine detailliertere Analyse nachgereicht worden. Nur fünf Tage später war dann mit dem LAT-Instrument des NASA-Satelliten Fermi entdeckt worden, dass in der Herkunftzone des Neutrinos der Blazar TXS 0506+056 gerade aktiv war und sich als Quelle anbot: Dieser Verdacht erhärtete sich in den folgenden Monaten und wurde bereits auf Konferenzen gefeiert, auch wenn danach trotz energischer Suche keinerlei weitere LAT-Quellen von IceCube-Neutrinos am Himmel zu finden waren. Und nun also die komplette Geschichte – so weit bisher zu erzählen.

Ein fundamentales Problem mit IceCube ist, dass der Großteil der von ihm detektierten Neutrinos erst in der Erdatmosphäre durch Beschuss mit Kosmischer Strahlung entsteht: Zwar sind die atmosphärischen Neutrinos im Schnitt deutlich energieärmer als die Kosmischen, aber das September-Teilchen hatte mit grob 290 TeV Energie nur eine Wahrscheinlichkeit von etwa 57%, tatsächlich aus dem Weltraum zu kommen. Erst in Kombination mit den LAT-Beobachtungen des aktiven Blazars in seiner Ursprungsrichtung und Messungen anderer Teleskope für elektromagnetische Strahlung mit hoher Energie wurden sowohl seine kosmische Natur wie der Zusammenhang mit dem Blazar signifikant. Bei dieser Art Aktiver Galaxien zeigt einer der beiden Strahlungsjets aus dem mutmaßlichen Schwarzen Riesen-Loch im Zentrum genau Richtung Erde – und in diesem Jet werden offensichtlich mit auf nach wie vor kaum verstandener Weise sowohl Neutrinos wie Atomkerne auf enorme Energien beschleunigt. Nur die Neutrinos erreichen uns auf geradem Weg, die geladenen Kerne – als „Kosmische Strahlung“ – werden dagegen im Magnetfeld der Milchstraße abgelenkt und verraten ihre Quellen nicht. Detaillierte Beobachtungen extrem energiereicher Gammastrahlung von TXS 0506+056 mit MAGIC auf La Palma legen immerhin nahe, dass Kerne wie Neutrinos vom selben Mechanismus beschleunigt werden.