NEUTRINOS
Suche nach dem Ursprung von Big Bird
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
29. April 2016

Am 4. Dezember 2012 wurde mit dem Neutrino-Detektor IceCube in der Antarktis ein extrem energiereiches Neutrino nachgewiesen. Das Ereignis wurde von den Forschern Big Bird getauft - nach dem in Deutschland als Bibo bekannten Vogel aus der Sesamstraße. Doch woher stammt Big Bird? Astronomen glauben nun eine Antwort gefunden zu haben: aus der weit entfernten Galaxie PKS B1424-418. 

Der Gammahimmel im Umfeld des Blazars PKS B1424-418, aufgenommen mit dem LAT-Detektor an Bord des Fermi-Gammastrahlungsobservatoriums. Bild: ASA /DOE / LAT-Kollaboration [Großansicht]

Neutrinos sind die schnellsten, leichtesten und "kontaktscheuesten" Elementarteilchen. Erst seit kurzem ist es möglich, hochenergetische Neutrinos aus den Tiefen des Universums überhaupt nachzuweisen. Nun ist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, eine mögliche Verbindung zwischen einem bestimmten extragalaktischen Objekt und einem entsprechenden kosmischen Neutrino aufzuzeigen.

Obwohl die Zahl der Neutrinos die aller Atome im Universum bei weitem übersteigt, zeigen sie kaum Wechselwirkung mit normaler Materie; dadurch stellt der Nachweis von Neutrinos eine beachtliche Herausforderung dar. Diese Eigenschaft der Neutrinos führt aber auch dazu, dass sie leicht aus Regionen entweichen können, aus denen kein Lichtsignal herauskommt - wie etwa aus dem Zentralbereich eines kollabierenden Sterns - und dass sie fast unbeeinflusst durch andere Materie von ihrer Quelle bis zur Erde gelangen können.

Neutrinos tragen somit Informationen über kosmische Umgebungen und Prozesse, die der Untersuchung mithilfe elektromagnetischer Strahlung alleine nicht zugänglich sind. Mit dem Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol wurden erst kürzlich Hinweise auf kosmische Neutrinostrahlung gefunden. Bisher hat das IceCube-Forscherteam rund 100 hochenergetische Neutrinoereignisse identifiziert, von denen die energiereichsten Einzelereignisse mit einprägsamen Namen aus der Kinderfernseh-Serie "Sesamstraße" belegt wurden.

Am 4. Dezember 2012 wurde ein Neutrino mit einer Energie von mehr als zwei Peta-Elektronenvolt (1 PeV = 10¹⁵ eV) identifiziert, das auf den englischen Namen "Big Bird" getauft wurde - den deutschen Kindern ist "Big Bird" besser als Bibo bekannt. Big Bird war das seinerzeit energiereichste nachgewiesene Neutrino und steht immer noch auf dem zweiten Platz.

Doch von wo kommt Big Bird? Die Positionsbestimmung von IceCube war ziemlich ungenau und konnte den Entstehungsort nur auf ein recht großes Himmelsareal mit einer Fläche von rund 64 Vollmonden eingrenzen. "Die Ausgangssituation erinnerte an einen Kriminalfall", erinnert sich Matthias Kadler, Professor für Astrophysik an der Universität Würzburg. "Wir waren konfrontiert mit einer Explosion ungeklärten Ursprungs, einem Verdächtigen, und einer Reihe verschiedener Indizienbeweise."

Im Sommer 2012 wurde das Gammastrahlen-Observatorium Fermi der NASA Zeuge eines dramatischen Aufleuchtens im Zentralgebiet der aktiven Galaxie PKS B1424-418, die als Gammastrahlungs-Blazar klassifiziert ist. Eine aktive Galaxie ist eine im Prinzip normale Galaxie, die allerdings einen ungewöhnlich hellen kompakten Kernbereich aufweist. Die starke Strahlung im Zentralbereich wird durch den Einfall von Materie in ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie erzeugt, mit Millionen oder sogar Milliarden mal der Masse unserer Sonne.

Ein Teil dieser einfallenden Materie kann in zwei extrem energiereiche Materiestrahlen oder Jets umgelenkt werden, die sich, gebündelt durch starke Magnetfelder, mit fast Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten. Wenn einer dieser beiden Jets nahezu direkt auf die Erde gerichtet ist, spricht man von einem Blazar.

Während des rund ein Jahr andauernden Ausbruchs war die Helligkeit von PKS B1424-418 in Gammastrahlen rund 15- bis 30-mal höher als im Schnitt vor dem Ausbruch. Dieser Blazar liegt innerhalb des Suchbereichs für das Neutrinoereignis, was allerdings auch für eine Reihe weiterer aktiver Galaxien gilt, die von Fermi entdeckt wurden.

Auf der Suche nach dem Ursprung für das Neutrinoereignis wandten sich die Wissenschaftler nun zu einem langfristigen Beobachtungsprogramm, das unter der Bezeichnung TANAMI läuft. Seit 2007 wurden im Rahmen von TANAMI rund 100 aktive Galaxien am Südhimmel systematisch überwacht, darunter eine Reihe von Galaxien, bei denen Strahlungsausbrüche mit Fermi entdeckt wurden.

Drei Radiobeobachtungen aus den Jahren 2011 bis 2013 decken die Zeit des Fermi-Strahlungsausbruchs von PKS B1424-418 ab. Sie zeigen, dass die Radiostrahlung aus dem Zentralbereich des Galaxienjets in diesem Zeitraum ebenfalls fast viermal heller wurde. "Während seiner kompletten Programmlaufzeit ist im Rahmen von TANAMI bisher kein vergleichbarer Strahlungsausbruch in einer aktiven Galaxie beobachtet worden", erklärt Eduardo Ros vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Blazare sind in der Lage, in ihren Jets Protonen auf relativistische Energien zu beschleunigen. Durch Wechselwirkung mit Licht können im Zentralgebiet des Blazars daraus Pionen erzeugt werden. Aus deren Zerfall entstehen dann sowohl Gammastrahlen als auch Neutrinos. "Wir suchten daher in dem Feld, in dem Big Bird entstanden sein muss, nach solchen Blazaren", erzählt Teammitglied Felicia Krauß, die an der Universität Erlangen-Nürnberg promoviert. "Es war ein unvergesslicher Moment, als wir realisierten, dass der dramatischste Blazarausbruch, den wir in TANAMI je gesehen hatten, genau in diesem Feld und genau zur richtigen Zeit stattgefunden hatte."

In einer jetzt veröffentlichten Studie schlagen die Wissenschaftler daher vor, dass der Strahlungsausbruch von PKS B1424-418 und das Neutrinoereignis Big Bird miteinander in Verbindung stehen. Sie berechnen eine nur fünfprozentige Wahrscheinlichkeit dafür, dass beide Ereignisse nur zufällig zur gleichen Zeit und am selben Ort stattfanden.

Durch die Analyse von Daten der NASA-Satelliten Fermi, Swift und WISE sowie dem australischen Long Baseline Array (LBA) und weiterer Beobachtungen konnten die Forscher ermitteln, wie sich die Energie des Strahlungsausbruchs über das elektromagnetische Spektrum vom Radio- bis in den Gammabereich verteilt und daraus ableiten, dass die Gesamtenergie ausreicht, um ein Neutrino im PeV-Energiebereich zu erzeugen.

"Der Blazar hatte während seines Strahlungsausbruchs sozusagen die nötigen Mittel, ein Motiv und auch die passende Gelegenheit. Er ist deshalb unser Hauptverdächtiger für den Ursprung des Big Bird-Neutrinos", so Kadler. Francis Halzen, der Projektleiter von IceCube an der University of Wisconsin–Madison, der an der Untersuchung nicht beteiligt war, sieht in diesem Ergebnis einen spannenden Hinweis darauf, was noch in Zukunft zu erwarten ist: "Im IceCube Projekt werden nun Benachrichtigungen zu Neutrino-Ereignissen in Echtzeit herausgegeben, die auf eine Größe von nur wenig mehr als einem halben Grad Durchmesser am Himmel genau sind, also nur geringfügig größer als der Vollmond. Damit öffnen wir allmählich ein Neutrino-Fenster ins Universum."

"Diese Untersuchung zeigt die entscheidende Bedeutung von klassischen astronomischen Beobachtungen in einer Zeit, in der neue Untersuchungsmethoden wie Neutrino-Observatorien und Gravitationswellen-Detektoren uns einen bisher unbekannten Zugang zum Universum ermöglichen", unterstreicht Anton Zensus, Direktor und Leiter der Forschungsabteilung Radioastronomie/VLBI am MPIfR, der auch zum Team gehörte.

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in einem Fachartikel der in der Zeitschrift Nature Physics erschienen ist.