Eine neue Karte des Universums, bemalt mit kosmischen Neutrinos | Quanta-Magazin

Von den 100 Billionen Neutrinos, die jede Sekunde durch uns hindurchgehen, stammen die meisten von der Sonne oder der Erdatmosphäre. Aber ein kleiner Teil der Teilchen – diejenigen, die sich viel schneller bewegen als der Rest – reisten von weiter entfernten mächtigen Quellen hierher. Seit Jahrzehnten suchen Astrophysiker nach dem Ursprung dieser „kosmischen“ Neutrinos. Jetzt hat das IceCube-Neutrino-Observatorium endlich genug davon gesammelt, um verräterische Muster ihrer Herkunft aufzudecken.

In einer Heute veröffentlichtes Papier in Wissenschaft, enthüllte das Team die erste Karte der Milchstraße in Neutrinos. (Normalerweise wird unsere Galaxie mit Photonen, Lichtteilchen, kartiert.) Die neue Karte zeigt einen diffusen Dunst kosmischer Neutrinos, die aus der gesamten Milchstraße stammen, aber seltsamerweise fallen keine einzelnen Quellen auf. „Es ist ein Rätsel“, sagte er Franz Halzen, der IceCube leitet.

Die Ergebnisse folgen einem IceCube-Studie vom letzten Herbst, auch in Wissenschaft, das war der erste, der kosmische Neutrinos einer einzelnen Quelle zuordnete. Es zeigte sich, dass ein großer Teil der bisher vom Observatorium entdeckten kosmischen Neutrinos aus dem Herzen einer „aktiven“ Galaxie namens NGC 1068 stammt. Im leuchtenden Kern der Galaxie dreht sich Materie spiralförmig in ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch und erzeugt dabei irgendwie kosmische Neutrinos dabei.

„Es ist wirklich erfreulich“, sagte er Kate Schulberg, ein Neutrinophysiker an der Duke University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Sie haben tatsächlich eine Galaxie identifiziert. So etwas versucht die gesamte Gemeinschaft der Neutrino-Astronomie schon seit Ewigkeiten.“

Die Lokalisierung kosmischer Neutrinoquellen eröffnet die Möglichkeit, die Teilchen als neue Sonde der Grundlagenphysik zu nutzen. Forscher haben gezeigt, dass die Neutrinos dazu verwendet werden können, Risse im geltenden Standardmodell der Teilchenphysik zu öffnen und sogar Quantenbeschreibungen der Schwerkraft zu testen.

Doch die Identifizierung des Ursprungs zumindest einiger kosmischer Neutrinos ist nur ein erster Schritt. Es ist wenig darüber bekannt, wie die Aktivität um einige supermassereiche Schwarze Löcher diese Teilchen erzeugt, und bisher deuten die Beweise auf mehrere Prozesse oder Umstände hin.

Lang ersehnter Ursprung

Obwohl Neutrinos reichlich vorhanden sind, flitzen sie normalerweise durch die Erde, ohne eine Spur zu hinterlassen. Es musste ein gewaltiger Detektor gebaut werden, um genug von ihnen zu erkennen und Muster in den Richtungen zu erkennen, aus denen sie kommen. IceCube wurde vor 12 Jahren gebaut und besteht aus kilometerlangen Detektorreihen, die tief in das antarktische Eis gebohrt wurden. Jedes Jahr entdeckt IceCube etwa ein Dutzend kosmische Neutrinos mit einer so hohen Energie, dass sie sich deutlich vom Dunst atmosphärischer und solarer Neutrinos abheben. Anspruchsvollere Analysen können aus den übrigen Daten weitere mögliche kosmische Neutrinos herausfiltern.

Astrophysiker wissen, dass solche energiereichen Neutrinos nur entstehen können, wenn sich schnell bewegende Atomkerne, die sogenannte kosmische Strahlung, mit Material irgendwo im Weltraum kollidieren. Und nur sehr wenige Orte im Universum verfügen über Magnetfelder, die stark genug sind, um kosmische Strahlung auf ausreichende Energien zu bringen. Gammastrahlenausbrüche, ultrahelle Lichtblitze, die auftreten, wenn einige Sterne zur Supernova werden oder wenn Neutronensterne spiralförmig ineinander übergehen, galten lange Zeit als eine der plausibelsten Optionen. Die einzige wirkliche Alternative waren aktive galaktische Kerne oder AGNs – Galaxien, deren zentrale supermassereiche Schwarze Löcher Teilchen und Strahlung ausspucken, wenn Materie hineinfällt.

Die Theorie des Gammastrahlenausbruchs verlor 2012 an Boden, als Astrophysiker erkannten, dass wir damit rechnen müssten, wenn diese hellen Ausbrüche dafür verantwortlich wären viele weitere kosmische Neutrinos als wir. Dennoch war der Streit noch lange nicht beigelegt.

Dann, im Jahr 2016, begann IceCube, jedes Mal eine Warnung auszusenden, wenn ein kosmisches Neutrino entdeckt wurde, was andere Astronomen dazu veranlasste, Teleskope in die Richtung auszurichten, aus der es kam. Im darauffolgenden September erfolgten sie vorläufig ein kosmisches Neutrino einer aktiven Galaxie namens TXS zugeordnet 0506+056, kurz TXS, der gleichzeitig Röntgen- und Gammastrahlen aussendete. „Das hat auf jeden Fall großes Interesse geweckt“, sagte er Marcos Santander, ein IceCube-Mitarbeiter an der University of Alabama.

Immer mehr kosmische Neutrinos wurden gesammelt und ein weiterer Himmelsfleck begann sich vom Hintergrund atmosphärischer Neutrinos abzuheben. In der Mitte dieses Flecks befindet sich die nahegelegene aktive Galaxie NGC 1068. Die jüngste Analyse von IceCube zeigt, dass diese Korrelation mit ziemlicher Sicherheit gleichbedeutend mit der Kausalität ist. Im Rahmen der Analyse haben die IceCube-Wissenschaftler ihr Teleskop neu kalibriert und künstliche Intelligenz eingesetzt, um seine Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Himmelsabschnitten besser zu verstehen. Sie fanden heraus, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Häufigkeit von Neutrinos, die aus der Richtung von NGC 1 kommen, eine zufällige Schwankung ist, weniger als 100,000 zu 1068 beträgt.

Die statistische Gewissheit, dass TXS eine kosmische Neutrinoquelle ist, ist nicht mehr weit entfernt, und im September zeichnete IceCube ein Neutrino auf, das wahrscheinlich aus der Nähe von TXS stammte und noch nicht analysiert wurde.

„Wir waren teilweise blind; Es ist, als hätten wir den Fokus auf uns gerichtet“, sagte Halzen. „Der Wettlauf fand zwischen Gammastrahlenausbrüchen und aktiven Galaxien statt. Dieses Rennen ist entschieden.“

Der physikalische Mechanismus

Diese beiden AGNs scheinen die hellsten Neutrinoquellen am Himmel zu sein, doch rätselhafterweise sind sie sehr unterschiedlich. TXS ist eine AGN-Art, die als Blazar bekannt ist: Sie schießt einen Strahl hochenergetischer Strahlung direkt auf die Erde. Dennoch sehen wir von NGC 1068 aus keinen solchen Jet, der uns den Weg weist. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Mechanismen im Herzen aktiver Galaxien zur Entstehung kosmischer Neutrinos führen könnten. „Die Quellen scheinen vielfältiger zu sein“, sagte er Julia Tjus, theoretischer Astrophysiker an der Ruhr-Universität Bochum in Deutschland und Mitglied von IceCube.

Halzen vermutet, dass es rund um den aktiven Kern von NGC 1068 Material gibt, das die Emission von Gammastrahlen bei der Neutrinosproduktion blockiert. Aber der genaue Mechanismus ist unklar. „Wir wissen sehr wenig über die Kerne aktiver Galaxien, weil sie zu kompliziert sind“, sagte er.

Die kosmischen Neutrinos, die aus der Milchstraße stammen, verwirren die Dinge zusätzlich. In unserer Galaxie gibt es keine offensichtlichen Quellen für solche hochenergetischen Teilchen – insbesondere keinen aktiven galaktischen Kern. Im Kern unserer Galaxie herrscht seit Millionen von Jahren keine Hektik.

Halzen vermutet, dass diese Neutrinos aus kosmischer Strahlung stammen, die in einer früheren, aktiven Phase unserer Galaxie erzeugt wurde. „Wir vergessen immer, dass wir auf einen bestimmten Zeitpunkt blicken“, sagte er. „Die Beschleuniger, die diese kosmische Strahlung erzeugt haben, könnten sie vor Millionen von Jahren erzeugt haben.“

Was im neuen Bild des Himmels auffällt, ist die intensive Helligkeit von Quellen wie NGC 1068 und TXS. Die Milchstraße ist voller nahegelegener Sterne und heißem Gas und stellt alle anderen Galaxien in den Schatten, wenn Astronomen sie mit Photonen betrachten. Aber wenn man es in Neutrinos betrachtet, „ist das Erstaunliche, dass wir unsere Galaxie kaum sehen können“, sagte Halzen. „Der Himmel wird von extragalaktischen Quellen dominiert.“

Abgesehen vom Mysterium der Milchstraße wollen Astrophysiker die weiter entfernten, helleren Quellen nutzen, um dunkle Materie, Quantengravitation und neue Theorien zum Verhalten von Neutrinos zu untersuchen.

Grundlagenphysik erforschen

Neutrinos bieten seltene Hinweise darauf, dass eine vollständigere Teilchentheorie das 50 Jahre alte Gleichungssystem, das als Standardmodell bekannt ist, ersetzen muss. Dieses Modell beschreibt Elementarteilchen und Kräfte mit nahezu perfekter Präzision, irrt sich jedoch, wenn es um Neutrinos geht: Es sagt voraus, dass die neutralen Teilchen masselos sind, aber das sind sie nicht – nicht ganz.

Physiker entdeckten 1998, dass Neutrinos ihre Form zwischen ihren drei verschiedenen Typen ändern können; Beispielsweise kann sich ein von der Sonne emittiertes Elektron-Neutrino bis zur Erde in ein Myon-Neutrino verwandeln. Und um ihre Form zu verändern, müssen Neutrinos eine Masse haben – die Schwingungen ergeben nur dann einen Sinn, wenn jede Neutrinospezies eine Quantenmischung aus drei verschiedenen (allesamt sehr winzigen) Massen ist.

Dutzende Experimente haben es Teilchenphysikern ermöglicht, nach und nach ein Bild der Schwingungsmuster verschiedener Neutrinos zu erstellen – solare, atmosphärische und im Labor hergestellte. Aber kosmische Neutrinos, die von AGNs stammen, bieten einen Einblick in das Schwingungsverhalten der Teilchen über weitaus größere Entfernungen und Energien. Dies mache sie zu „einer sehr empfindlichen Sonde für die Physik, die über das Standardmodell hinausgeht“, sagte er Carlos Argüelles-Dünn, ein Neutrinophysiker an der Harvard University, der auch Teil der weitläufigen IceCube-Kollaboration ist.

Kosmische Neutrinoquellen sind so weit entfernt, dass die Neutrinooszillationen verschwimmen sollten – wohin Astrophysiker auch schauen, sie erwarten, einen konstanten Anteil jeder der drei Neutrinoarten zu sehen. Jede Schwankung dieser Anteile würde darauf hinweisen, dass Neutrino-Oszillationsmodelle überdacht werden müssen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass kosmische Neutrinos auf ihrer Reise mit dunkler Materie interagieren, wie von vielen vorhergesagt Dark-Sector-Modelle. Diese Modelle gehen davon aus, dass die unsichtbare Materie des Universums aus mehreren Arten nicht leuchtender Teilchen besteht. Wechselwirkungen mit diesen Teilchen der Dunklen Materie würden Neutrinos mit bestimmten Energien streuen eine Lücke schaffen im Spektrum der kosmischen Neutrinos, die wir sehen.

Oder die Quantenstruktur der Raumzeit selbst kann die Neutrinos in Mitleidenschaft ziehen und sie verlangsamen. Eine Gruppe mit Sitz in Italien vor kurzem argumentiert in Natur Astronomie dass IceCube-Daten Hinweise darauf zeigen, dass dies geschieht, aber andere Physiker waren skeptisch dieser Ansprüche.

Effekte wie diese wären winzig, aber intergalaktische Entfernungen könnten sie auf ein nachweisbares Maß verstärken. „Das ist definitiv etwas, das es wert ist, erkundet zu werden“, sagte Scholberg.

Schon, Argüelles-Delgado und seine Mitarbeiter haben den diffusen Hintergrund kosmischer Neutrinos – und nicht bestimmte Quellen wie NGC 1068 – genutzt, um nach Beweisen für die Quantenstruktur der Raumzeit zu suchen. Als sie berichtet in Naturphysik Im Oktober fanden sie nichts, aber ihre Suche wurde durch die Schwierigkeit erschwert, die dritte Art von Neutrino – Tau – von einem Elektron-Neutrino im IceCube-Detektor zu unterscheiden. Was benötigt wird, ist eine „bessere Partikelidentifizierung“, sagte Co-Autor Teppei Katori des King's College London. Die Forschung ist im Gange die beiden Typen entwirren.

Katori sagt, dass die Kenntnis spezifischer Orte und Mechanismen kosmischer Neutrinoquellen einen „großen Sprung“ in der Empfindlichkeit dieser Suche nach neuer Physik bedeuten würde. Der genaue Anteil jeder Neutrinoart hängt vom Quellenmodell ab, und die gängigsten Modelle sagen zufällig voraus, dass gleiche Zahlen der drei Neutrinoarten auf der Erde ankommen werden. Aber kosmische Neutrinos sind immer noch so wenig verstanden, dass jedes beobachtete Ungleichgewicht in den Anteilen der drei Arten fehlinterpretiert werden könnte. Das Ergebnis könnte eine Folge der Quantengravitation, der Dunklen Materie oder eines fehlerhaften Neutrino-Oszillationsmodells sein – oder einfach nur die immer noch unklare Physik der kosmischen Neutrinoproduktion. (Einige Verhältnisse wären jedoch ein „rauchender Beweis“ für die neue Physik, sagte Argüelles-Delgado.)

Letztendlich müssen wir noch viel mehr kosmische Neutrinos nachweisen, sagte Katori. Und es sieht so aus, als ob wir es tun werden. IceCube wird in den nächsten Jahren aufgerüstet und auf 10 Kubikkilometer erweitert und im Oktober ein Neutrino-Detektor unter dem Baikalsee in Sibirien veröffentlichte seine erste Beobachtung kosmischer Neutrinos aus TXS.

Und tief im Mittelmeer riefen Dutzende Reihen von Neutrino-Detektoren zusammen KM3NeT werden von einem Roboter-Tauchboot am Meeresboden befestigt, um einen ergänzenden Blick auf den kosmischen Neutrino-Himmel zu ermöglichen. „Der Druck ist enorm; Das Meer ist sehr gnadenlos“, sagte Paschal Coyle, Forschungsdirektor am Marseille Particle Physics Center und Sprecher des Experiments. Aber „wir brauchen mehr Teleskope, die den Himmel untersuchen, und mehr gemeinsame Beobachtungen, und das kommt jetzt.“