Erstes Neutrinobild einer aktiven Galaxie

Seit mehr als zehn Jahren beobachtet das IceCube-Observatorium am Südpol die Lichteffekte extragalaktischer Neutrinos. Bei der Auswertung von Observatoriumsdaten entdeckte ein internationales Forscherteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) in der aktiven Galaxie NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, eine Quelle hochenergetischer Neutrinostrahlung.

Das Universum ist voller Geheimnisse. Eines dieser Rätsel betrifft aktive Galaxien mit supermassiven Schwarzen Löchern in ihren Zentren. „Wir wissen heute noch nicht genau, welche Prozesse dort ablaufen“, sagt Elisa Risconi, Professorin für Experimentalphysik mit kosmischen Teilchen an der TUM. Ihr Team ist diesem Rätsel nun einen großen Schritt näher gekommen: Astrophysiker haben in der Spiralgalaxie NGC 1068 eine hochenergetische Neutrinoquelle entdeckt.

Es ist sehr schwierig, die Zentren aktiver Galaxien mit Teleskopen zu erkunden, die sichtbares Licht, Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen aus dem Weltraum erfassen, da Wolken aus kosmischem Staub und heißem Plasma Strahlung absorbieren. Nur Neutrinos können an den Rändern von Schwarzen Löchern der Hölle entkommen. Diese Neutrinos haben keine elektrische Ladung und fast keine Masse. Sie durchdringen den Weltraum, ohne von elektromagnetischen Feldern abgelenkt oder absorbiert zu werden. Dadurch ist es sehr schwer zu erkennen.

Die bisher größte Hürde in der Neutrino-Astronomie bestand darin, das sehr schwache Signal von dem starken Hintergrundrauschen zu trennen, das durch die Einwirkung von Teilchen aus der Erdatmosphäre verursacht wird. Es waren viele Jahre an Messungen mit dem IceCube Neutrino-Observatorium und neuen statistischen Methoden nötig, um es Resconi und ihrem Team zu ermöglichen, genügend Neutrino-Ereignisse für ihre Entdeckung zusammenzufügen.

Detektivarbeit im ewigen Eis

Das IceCube-Teleskop im antarktischen Eis detektiert seit 2011 Lichtspuren von gefallenen Neutrinos. „Anhand ihrer Energie und ihres Einfallswinkels können wir rekonstruieren, woher sie kamen“, sagt TUM-Wissenschaftler Dr. Theo. Glush. „Die statistische Auswertung zeigt eine sehr wichtige Reihe von Neutrinoeffekten, die aus der Richtung der aktiven Galaxie NGC 1068 kommen. Das bedeutet, dass wir mit ziemlicher Sicherheit davon ausgehen können, dass die hochenergetische Neutrinostrahlung aus dieser Galaxie stammt.“

Die 47 Millionen Lichtjahre entfernte Spiralgalaxie wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt. NGC 1068 – auch bekannt als Messier 77 – ähnelt in Form und Größe unserer Galaxie, aber ihr Zentrum ist sehr hell und viel heller als die gesamte Milchstraße, obwohl das Zentrum ungefähr die Größe unseres Sonnensystems hat. Dieses Zentrum enthält einen „aktiven Kern“: jede schwarze Supernova mit einer Masse von etwa der hundertmillionenfachen Masse unserer Sonne, die große Mengen an Material absorbiert.

Doch wie und wo werden dort Neutrinos erzeugt? „Wir haben ein klares Szenario“, sagt Risconi. „Wir glauben, dass hochenergetische Neutrinos das Ergebnis der starken Beschleunigung von Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs sind, die sie auf sehr hohe Energien anhebt. Wir wissen aus Teilchenbeschleuniger-Experimenten, dass hochenergetische Protonen Neutrinos erzeugen, wenn sie mit anderen Teilchen kollidieren.“ mit anderen Worten: wir haben einen Beschleunigerkosmos gefunden.

Neutrino-Observatorien für neue Astronomie

NGC 1068 ist die statistisch signifikanteste bisher entdeckte Quelle hochenergetischer Neutrinos. Um schwächere und weiter entfernte Neutrinoquellen lokalisieren und untersuchen zu können, seien weitere Daten notwendig, sagt Risconi, der kürzlich eine internationale Initiative zum Bau eines Neutrino-Teleskops mit einem Volumen von mehreren Kubikkilometern im Nordosten und im Pazifischen Ozean gestartet hat. Das Neutrino-Experiment P-ONE. Zusammen mit einem geplanten IceCube-Observatorium der zweiten Generation – IceCube Gen2 – wird es Daten für die zukünftige Neutrinoastronomie liefern.