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Jahrhunderträtsel der Physik Forscher finden extragalaktische Quelle von Geisterteilchen

Aus den Tiefen des Alls prasseln jede Sekunde Abermilliarden Teilchen auf die Erde. Nun haben Forscher erstmals eine Quelle hochenergetischer Neutrinos ausgemacht - und damit ein Jahrhunderträtsel gelöst.

"Wir wussten bis heute nicht, woher sie stammen", sagt Elisa Resconi von der Technischen Universität München. Es ist fünf Jahre her, dass Forscher mit einem großen Detektor am Südpol hochenergetische Neutrinos aus den Tiefen des Weltalls nachgewiesen haben. Nun haben sie zum ersten Mal auch eine Quelle der Geisterteilchen gefunden. Sie liegt in einer weit entfernten Galaxie.

Neutrinos interagieren kaum mit ihrer Umwelt und besitzen fast keine Masse. So reisen sie Milliarden Lichtjahre durch das Universum und durchdringen Galaxien, Sterne und Planeten fast spurlos. Diese Besonderheit haben sich die Physiker um Resconi nun zunutze gemacht.

Teilchen mit gewaltiger Energie

"Unser Ziel ist es eigentlich, mehr über den Ursprung kosmischer Strahlung zu erfahren", erklärt Marek Kowalski, Leiter der Neutrino-Astronomie beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg. Einige Teilchen der kosmischen Strahlung tragen gewaltige Energie und Wissenschaftler rätseln seit über hundert Jahren, wo im All sie ihren Ursprung haben.

Das Problem: Kosmische Strahlung - hauptsächlich Protonen - ist geladen und wird deshalb auf dem Weg zur Erde stark abgelenkt. "Man kann dann nicht mehr nachvollziehen, woher sie kam", sagt Kowalski.

Bei Neutrinos ist das anders: Sie reisen zusammen mit der kosmischen Strahlung zur Erde, ändern dabei aber ihre Richtung nicht. Kennt man ihren Ursprung, kennt man also auch eine Quelle kosmischer Strahlung.

Blaue Blitze im Antarktiseis

Neutrinos nachzuweisen, ist allerdings nicht so leicht. Den Forschern half der weltweit größte Teilchendetektor, das "IceCube Neutrino Observatory" in der Antarktis. Genau 5160 Sensoren stecken hier bis zu zweieinhalb Kilometer tief im eisigen Untergrund. Sie halten in einem Kubikkilometer Eis nach kleinsten blauen Blitzen Ausschau, der sogenannten Tscherenkow-Strahlung. Sie entsteht, wenn Neutrinos mit Molekülen im Eis zusammenstoßen und eine Reihe weiterer Teilchenzerfälle auslösen.


Wer finanziert den "IceCube"-Detektor?

"IceCube" entdeckt so pro Tag ungefähr 200 der 60 bis 100 Milliarden Neutrinos, die pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter der Erde prasseln. Die meisten haben wenig Energie und viele stammen aus Zerfallsprozessen in der Erdatmosphäre, die durch kosmische Strahlung ausgelöst werden. Die Forscher der "IceCube"-Kollaboration interessierten vor allem die selteneren, hochenergetischen Neutrinos mit unbekanntem Ursprung in den Tiefen des Alls.

"IceCube" entdeckt so pro Tag ungefähr 200 der 60 bis 100 Milliarden Neutrinos, die pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter der Erde prasseln. Die meisten haben wenig Energie und viele stammen aus Zerfallsprozessen in der Erdatmosphäre, die durch kosmische Strahlung ausgelöst werden. Die Forscher der "IceCube"-Kollaboration interessierten vor allem die selteneren, hochenergetischen Neutrinos mit unbekanntem Ursprung in den Tiefen des Alls.

Alle Exemplare, die die Forscher bislang kannten, schienen allerdings aus verschiedenen Quellen zu stammen, ein Muster konnten die Forscher nicht erkennen - bis zum 22. September 2017.

"Wir gucken sozusagen direkt in diese Strahlenkanone"

Das an diesem Tag von "IceCube" detektierte Neutrino besaß eine sehr hohe Energie von ungefähr 290 Teraelektronenvolt - eine 290 mit 12 Nullen - und fiel damit genau in das Beuteschema der Wissenschaftler. Die Richtung des Teilchens allein, ließ jedoch keine genaue Quellenangabe zu: 637 ferne Objekte kamen theoretisch als Entstehungsort in Frage. Erst der Abgleich mit Daten von 18 Observatorien weltweit brachte den entscheidenden Hinweis.

"Wenn 'IceCube' ein Teilchen findet, dass wahrscheinlich aus den Tiefen des Alls stammt, informiert es in weniger als einer Minute alle 18 Observatorien. Die richten ihre Teleskope dann in die Richtung aus, aus der das Teilchen kam", erklärt Kowalski. Am 22. September 2017 entdeckte der Nasa-Gammastrahlen-Satellit "Fermi" eine Auffälligkeit, berichtet das internationale Forscherteam im Fachmagazin "Science".

Eine fast vier Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernten Galaxie im Sternbild Orion schickte ungewöhnlich große Mengen Gammastrahlung Richtung Erde. Physikalische Theorien besagen, dass Neutrinos gemeinsam mit Gammastrahlen ausgesendet werden. Damit war die Quelle der Geisterteilchen gefunden.

"Es handelt sich um eine große, aktive Galaxie mit einem riesigen Schwarzen Loch im Zentrum", erklärt Kowalski. Senkrecht zu dem riesigen Strudel, in dem das Schwarze Loch Materie einsaugt, schießen gewaltige Teilchenströme - sogenannte Jets - ins All.

Der Teilchenstrom der identifizierten Galaxie ist direkt auf die Erde gerichtet. "Wir gucken sozusagen direkt in diese Strahlenkanone", so der Forscher weiter. In der Zeit, in der das hochenergetische Neutrino die Erde erreichte, habe die Galaxie sechs Mal heller geleuchtet als sonst.

Trotzdem blieb eine kleine Unsicherheit, dass Gammastrahlung und Neutrino zufällig gleichzeitig aufgetreten sein könnten. Also analysierten die Forscher zusätzlich "IceCube"-Daten der vergangenen Jahre. Sie stellten fest, dass auch in der Vergangenheit überdurchschnittlich viele Geisterteilchen aus der Richtung der aktiven Galaxie kamen. Das spricht für sie als Quelle, berichten die Forscher in einer zweiten Science-Studie.

Und was bedeutet das jetzt für das Rätsel um die kosmische Strahlung? "Wir haben erstmals eine extragalaktische Quelle der Strahlung geortet", sagt Kowalski. "Jetzt können wir genauer untersuchen, wie manche der Teilchen zu ihrer extrem hohen Energie kommen." Ob es noch andere Quellen kosmischer Strahlung gibt, bleibt allerdings offen.

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