Astronomen knacken Jahrhunderträtsel um den Ursprung von 'Geisterteilchen'

Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, die Spur eines hochenergetischen Neutrinos bis zu seiner Quelle zurückzuverfolgen. Neutrinos werden manchmal auch als Geisterteilchen bezeichnet, weil sie so schwer aufzuspüren sind. Diese Entdeckung könnte helfen, eine Frage zu beantworten, die die Wissenschaft schon seit rund Hundert Jahren beschäftigt: Woher stammen die bizarren Teilchen und warum enthalten sie so große Mengen kosmischer Energie?

Forscherinnen und Forscher am IceCube Neutrino Observatory in der Antarktis liefern nun die erste konkrete Antwort: Neutrinos stammen aus sogenannten Blazaren, das sind aktive galaktische Kerne mit enormer Leuchtkraft, die ihre Energie wahrscheinlich von einem supermassiven Schwarzen Loch in ihrem Zentrum erhalten. Sie gelten als eines der energiereichsten Phänomene im beobachtbaren Universum.

Das IceCube-Team gab seine Forschungsergebnisse am 12. Juli 2018 in einer Pressekonferenz in der National Science Foundation in Washington DC bekannt. Außerdem veröffentlichten die Forschenden zwei neue Studien in Science.

Neutrinos sind Teilchen mit sehr geringer Masse – ihr Masse ist sogar so gering, dass sie lange als masselos galten. 2015 erhielten die Teilchenforscher Takaaki Kajita und Arthur McDonald den Nobelpreis für Physik für ihren Nachweis, dass Neutrinos Masse besitzen. Neutrinos können sich fast ungehindert durchs All bewegen und durchdringen sogar Planeten – im Gegensatz zu massereicheren Teilchen, die von Planeten oder anderen Objekten aufgehalten werden. Die Forschenden hoffen, durch die Erforschung der Neutrinos den Ursprung kosmischer Strahlung zu verstehen.

Die Forschenden des IceCube Observatory konnten die Neutrinos nun mit einem sehr sensiblen Teilchendetektor aufspüren. Er nutzt 5.160 Sensoren, die bis zu zweieinhalb Kilometer tief im antarktischen Eis stecken. Obwohl jede Sekunde Billionen Neutrinos durch unsere Körper dringen, konnten die Sensoren insgesamt nur etwa Hundert der energiereichen Neutrinos aufspüren, die ihren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems haben.

Einer der erfassten Neutrinos, IceCube-170922A, wurde vom IceCube am 22. September 2017 entdeckt. Die Forscherinnen errechneten, dass das Neutrino aus der Region des Sternbilds Orion stammte und baten andere Observatorien um Hilfe, um den genauen Ursprungsort zu ermitteln. Zwölf Einrichtungen auf der ganzen Welt beteiligten sich an der Suche.

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Gemeinsam gelang es den Observatorien, den Ursprung des mit 300 Billionen Elektronenvolt geladenen Neutrinos zu ermitteln: ein Blazar namens TXS 0506+056, der etwa vier Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt und Gammastrahlen ausstieß. Diese Entdeckung ist ein Durchbruch in der Neutrino-Forschung.

Gary Hill, Physiker an der University of Adelaide und Mitglied der IceCube Collaboration, sagte gegenüber Motherboard, dass als nächstes untersucht werden soll, ob weitere Neutrinos auf die Gammastrahlung des Blazars zurückgeführt werden können. "Wenn der Blazar wieder aufblitzt und wir weitere Neutrinos sehen, wäre das eine große Sache", sagt er. Das Team wird außerdem nach anderen Blazaren Ausschau halten, die weitere Neutrinos gen Erde schleudern könnten.

Hill hofft außerdem, dass die Entdeckung mehr Förderung für das IceCube Observatory nach sich ziehen wird. "Wir könnten weitere Sensoren im Eis deponieren, die die Erfassungsrate erhöhen würden, und könnten auch oberhalb der Eisschicht Sensoren aufstellen", sagte er. Auf diese Weise könnten die Forschenden andere Teilchen in der kosmischen Strahlung aussortieren und sich besser auf die Neutrinos konzentrieren.

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