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„IceCube“-Experiment : Durchbruch in der kosmischen Neutrinoforschung

Der Ort der Entdeckung: das (künstlerisch verfremdete) IceCube-Observatorium. Bild: IceCube/NSF

Lange hat man gerätselt, wo im All die Teilchen der kosmischen Strahlung beschleunigt werden. Nun hat die Beobachtung eines hochenergetischen Neutrinos endlich eine Antwort geliefert. Ein Gespräch mit der Mitentdeckerin.

          Spekulationen gab es schon vor einigen Monaten, jetzt ist es bestätigt: Dem IceCube Neutrino-Observatorium am Südpol ist es erstmalig gelungen, den Ursprungsort hochenergetischer kosmischer Neutrinos zu identifizieren (hier die Hintergründe der Entdeckung auf FAZ.NET). Voraussetzung dafür war die Kombination der IceCube-Beobachtung eines hochenergetischen Neutrinos mit Beobachtungen anderer Teleskope bei elektromagnetischen Wellenlängen – eine Premiere und nach der Entdeckung kollidierender Neutronensterne im vergangenen Herbst ein erneuter Triumph der sogenannten „Multimessenger“-Astronomie, bei der astronomische Beobachtungen verschiedener kosmischer Informationsträger kombiniert werden. Dieses Ergebnis kann zur Klärung einer der großen bislang offenen Fragen der Astrophysik beitragen: Wo im Kosmos werden die Teilchen der kosmischen Strahlung beschleunigt? Die Neutrinos, die bei dieser Beschleunigung entstehen, können hier als Boten dienen. Die neue Entdeckung weist darauf hin, dass diese gigantischen Teilchenbeschleuniger aktive Galaxienkerne sind: supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien. Nachdem die Quelle der Neutrinoemission als ein solcher aktiver Galaxienkern identifiziert war, gelang es den Wissenschaftlern außerdem, eine weitere Episode der Neutrinoemission derselben Quelle in alten IceCube-Daten zu identifizieren. Wir haben über die Ergebnisse mit Dr. Anna Franckowiak gesprochen, die auf deutscher Seite eine zentrale Rolle in der Analyse der Daten gespielt hat.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Frau Franckowiak, Sie sind als Nachwuchsgruppenleiterin am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und Mitglied des Neutrino-Observatoriums IceCube an einer besonderen Entdeckung beteiligt, die heute bekannt gegeben wurde. Was haben Sie gefunden?

          Wir haben ein sehr hochenergetisches Neutrino entdeckt, das uns aus der Richtung einer hochenergetischen Gammastrahlenquelle erreicht hat. Zu der Zeit, als das Neutrino bei uns ankam, war die Quelle, ein sogenannter Blazar, in einem besonderes hellen Zustand, sechsmal heller als normal. Blazare sind supermassive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien, in die Materie eingesogen wird. Dabei bildet sich ein Jet, der Materie mit fast Lichtgeschwindigkeit in unsere Richtung ausspuckt.

          Dr. Anna Franckowiak ist Nachwuchsgruppenleiterin am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy.

          Warum ist diese Entdeckung so bemerkenswert?

          IceCube, der größte Neutrino-Detektor der Welt, wurde in der Antarktis gebaut, um kosmische Neutrinos zu entdecken. 2013 ist dies erstmalig gelungen, aber wir konnten bislang noch nicht deren Ursprungsorte ausmachen. Denn wenn wir die Richtungen der seitdem aufgezeichneten Neutrinos betrachten, dann sind sie gleichmäßig am Himmel verteilt und nicht in einer Richtung konzentriert, wie wir uns eigentlich erhofft hätten. Um herauszufinden, wo die Neutrinos herkommen, müssen wir nach dem elektromagnetischen Gegenstück der Neutrinobeobachtung suchen: Wenn es in der Richtung des Neutrinos eine vielversprechende Quelle gibt, die wir bei elektromagnetischen Wellenlängen sehen, dann könnte das Neutrino von dort stammen. Im Fall unserer Entdeckung war das Neutrino sehr hochenergetisch, daher sind wir relativ sicher dass es kosmischen Ursprungs ist. Und der Blazar erzeugt ebenfalls sehr hohe Energien. Es würde gut in unser Modell passen, dass er das Neutrino produziert hat.

          Bei Ihrer Entdeckung geht es aber nicht allein um die Neutrinos und deren Ursprungsort. Tatsächlich wollen Sie eine noch prominentere offene Frage der Astrophysik beantworten…

          Ja, einer der Gründe, warum wir uns für die hochenergetischen Neutrinos interessieren, ist, dass sie der Schlüssel zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung sind. Kosmische Strahlung, hochenergetische Teilchenstrahlung, wurde schon vor über hundert Jahren von Victor Hess entdeckt und ist insofern eigentlich ein alter Hut. Aber wir wissen immer noch nicht, wo diese Teilchen herkommen. Sie erreichen unglaubliche Energien: etwa zehn Millionen mal höher als die Energien, die wir mit den besten Teilchenbeschleunigern auf der Erde erzeugen können. Es gibt also natürliche Teilchenbeschleuniger, aber wir wissen nicht, welche Quellen im Universum es schaffen, Teilchen auf solche Energien zu beschleunigen. Das Problem dabei ist, dass die kosmische Strahlung aus geladenen Teilchen besteht - hauptsächlich Protonen -, die auf dem Weg zu uns von Magnetfeldern abgelenkt werden. Wenn sie auf der Erde ankommen, können wir zwar ihre Richtung messen, aber das ist nicht mehr die Richtung, aus der sie ursprünglich gekommen sind.

          Und hier kommen die Neutrinos ins Spiel?

          Genau. In der Quelle stoßen die Protonen der kosmischen Strahlung auf andere Protonen oder auf Photonen. Bei diesen Prozessen werden hochenergetische Neutrinos produziert. Da diese hochenergetischen Neutrinos ausschließlich in solchen Prozessen produziert werden, nennen wir sie “Smoking Gun”-Signaturen für kosmische Beschleuniger: Wenn wir hochenergetische Neutrinos sehen, können wir sicher sein, dass an deren Ursprungsort auch kosmische Strahlung beschleunigt wird.

          Bohrloch für das Icecube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis.

          Welche kosmischen Phänomene kommen denn theoretisch als Teilchenbeschleuniger in Frage?

          Aktiven Galaxienkerne - Zentralregionen von Galaxien, in denen ein supermassives Schwarzes Loch Unmengen von Materie verschlingt - sind ein guter Kandidat. Blazare sind eine spezielle Klasse davon, bei der die resultierende Strahlung direkt in unsere Richtung gesandt wird. Andere Kandidaten sind Gammablitze oder spezielle Arten von Supernova Explosionen. Auch Starburstgalaxien sind öfter im Gespräch

          Können wir jetzt angesichts der IceCube Entdeckung sagen, dass die kosmische Strahlung in Blazaren beschleunigt wird?

          Hier gibt es noch zwei Probleme. Erstens sind wir nicht hundertprozentig sicher, dass das Neutrino wirklich von dem Blazar gekommen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass es Zufall ist, ist aber klein. Wir haben einen Wert von drei Sigma berechnet, also 1 in 1000. Wenn wir annehmen, dass das Neutrino wirklich vom Blazar stammt, dann muss dort zwar auch kosmische Strahlung produziert werden, aber - und das ist der zweite Punkt - diese Strahlung muss nicht zwangsläufig die allerhöchsten Energien erreichen. Das aufgezeichnete Neutrino hat eine Energie von 300 TeV. Man nimmt an, dass das Proton, das dieses Neutrino produziert hat, zwanzig Mal mehr Energie besaß, aber dieser Wert liegt noch deutlich unter den höchsten beobachteten Energien der Teilchenstrahlung. Für diese hohen Energien könnte es also noch andere Quellen als Blazare geben.

          Wie haben Sie die Wahrscheinlichkeit für ein zufälliges Übereinstimmen der Richtungen von Blazar und Neutrino berechnet?

          Die Frage ist ja: Wenn man zufällig in eine Richtung am Himmel schaut, wie hoch ist dann die Wahrscheinlichkeit, dann dort einen Blazar zu finden, der zu der Zeit auch noch aufflackert. Um dies abzuschätzen haben wir Daten des Fermi Weltraumteleskops genutzt, das alle drei Stunden den gesamten Himmel nach Gammastrahlung abscannt. Uns standen mehr als neun Jahre Archivdaten mit über 2000 Quellen zur Verfügung. Für diese Quellen haben wir die Helligkeitsentwicklung berechnet. Das war der eine wichtige Input. Dann war noch wichtig zu wissen, wie unsicher unsere Bestimmung der Richtung des Neutrinos ist. Wenn wir die Richtung des Neutrinos genau kennen, ist die Wahrscheinlichkeit klein, genau dort zufällig eine Quelle zu sehen. Um diese Unsicherheit zu bestimmen, haben wir von IceCube simulierte Daten ähnlicher Neutrinos verwendet.

          Sie haben also die Beobachtungen des Fermi Weltraumteleskops zur Identifizierung der Quelle genutzt. Die Quelle wurde daraufhin aber auch noch bei anderen elektromagnetischen Wellenlängen beobachtet.

          Ja, es ist extrem wichtig, auch optische, Röntgen- und Radiobeobachtungen der Quelle zu haben. Ultimativ möchte man all diese Beobachtungen mit einem Modell beschreiben. Wo genau findet die Beschleunigung statt? Kommen die verschiedenen Wellenlängen aus verschiedenen Regionen? Das sind Fragen, mit denen sich Theoretiker beschäftigen. Und je bessere Daten in einem großen Wellenlängenbereich sie haben, desto besser können sie ihre Modelle testen.

          Tief im Inneren eines ein Kubikkilometer großen Eiswürfels zeichnet das IceCube-Observatorium die Signale kosmischer Neutrinos auf, hier in künstlerischer Illustration.

          Diese verschiedenen Beobachtungen werden in einem der beiden „Science”-Artikel beschreiben. Im anderen Artikel, haben Sie sich die alten Daten von IceCube noch einmal genauer angesehen.

          Nachdem wir das hochenergetische Neutrino gefunden und den Blazar identifiziert haben, haben wir uns natürlich gefragt, ob diese Quelle noch mehr Neutrinos produziert hat, und zwar Neutrinos bei niedrigeren Energien. Die sind normalerweise schwierig zu finden, weil bei diesen Energien auch Neutrinos in der Atmosphäre produziert werden, die uns nicht interessieren, aber von den kosmischen Neutrinos schwer zu unterscheiden sind. Dadurch, dass wir die Richtung der Quelle kannten, konnten wir viele der atmosphärischen Neutrinos loswerden. Und tatsächlich haben wir in dieser Richtung einen Überschuss von Neutrinos gefunden, und zwar während einer Dauer von 160 Tagen in den Jahren 2014 und 2015.

          War zu dieser Zeit der Blazar auch in einem besonders hellen Zustand?

          Da es nur zu dieser Zeit mehr Neutrinos als normal gab, wäre tatsächlich die Hypothese, dass es zu dieser Zeit auch eine erhöhte Aktivität der Quelle gegeben haben muss. Überraschenderweise sieht man aber kein so auffälliges Aufleuchten bei Gammastrahlen wie wir es bei dem Neutrino 2017 gesehen haben. Das zeigt, dass wir noch nicht wirklich alles über diese Quelle und den Prozess der Beschleunigung kosmischer Strahlung verstanden haben. Es könnte natürlich sein, dass die Quelle so beschaffen ist, dass die Gammastrahlen, die zusammen mit den Neutrinos produziert werden sollten, absorbiert werden. Es wird interessant sein, zu sehen, wie Theoretiker versuchen werden, diese Ereignisse konsistent in einem Modell zu beschreiben.

          Wann wird mit den ersten theoretischen Ergebnissen zu rechnen sein?

          Ich denke, es wird jetzt viele Papers in den nächsten Tagen geben, das wird sehr spannend werden. Viele der Informationen waren ja schon vorher öffentlich. Die Neutrinodetektion ging ja an die ganze Welt raus. Die Astronomen kommunizieren durch “The Astronomer’s Telegram”, eine Internetseite zum Austausch kurzfristiger Informationen, was wichtig ist, wenn man schnell Nachbeobachtungen veranlassen muss. Als wir das Neutrino beobachtet haben, waren einige Beteiligte grade in Amsterdam auf einem Workshop, bei dem es genau um solche Multimessenger-Beobachtungen ging. Das war ganz spannend, dass wir das dann gleich beim Abendessen diskutieren konnten.

          Anna Franckowiak verbrachte 2009 während ihrer Doktorarbeit einige Zeit am Südpol.

          War es gleich klar, dass die Entdeckung etwas Besonderes ist?

          Das war relativ schnell klar. Man konnte eine “Back of the envelope”-Rechnung machen, wo man zwar nicht die genaue Zufallswahrscheinlichkeit bekommen hat, aber schonmal einen Wert, der die Größenordung angibt. Da war schon klar: Wir müssen eine detailliertere Analyse machen.

          Der deutsche Anteil an dieser Analyse war ja tatsächlich nicht gering.

          Ich denke, es war ein guter Kollaborationserfolgt. Es haben wirklich viele Leute beigetragen. Am Desy war unser Beitrag relativ groß, weil wir schon lange in dieser Richtung arbeiten und weil wir Leute haben, die an IceCube, an Fermi und an anderen Beobachtungsprogrammen beteiligt sind. Das war natürlich ein Vorteil. Aber diese Programme sind ja auf der ganzen Welt verteilt und überall haben Leute mitgearbeitet. Als Beispiel: der andere Hauptbeteiligte an der Fermi Datenanalyse arbeitet bei der Nasa am Goddard Space Flight Center.

          Was steht jetzt als nächstes für Sie an?

          Viele von uns arbeiten an Folgeveröffentlichungen. Und natürlich stellt sich jetzt die Frage, was wir von dieser Quelle gelernt haben. Können wir damit jetzt besser nach solchen Koinzidenzen suchen? Wir haben ja auch Archivdaten, vielleicht können wir mit unserem neuen Wissen nun andere Analysen durchführen.

          Das Gespräch führte Sibylle Anderl

          Die Wissenschaftlerin

          Dr. Anna Franckowiak ist Nachwuchsgruppenleiterin am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy. An der jüngsten IceCube-Entdeckung war sie auf verschiedene Weise beteiligt: Zum einen analysierte sie die gemessene Gammastrahlung des Fermi Weltraumteleskops und kombinierte diese mit den Daten des IceCube-Observatoriums, um zu berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Herkunftsrichtung des Neutrinos nur zufällig mit dem Ort des Blazars übereinstimmen könnte. Außerdem ist sie Mitglied des optischen Surveys ASAS-SN, das die Helligkeit des Blazars bei optischen Wellenlängen aufzeichnete.

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