Künstlerische Darstellung eines Blazars, der Neutrinos und kosmische Strahlung beschleunigt. (Benjamin Amend) Einige der hellsten und energiereichsten Objekte im Universum sind die mysteriöse Quelle hochenergetischer kosmischer Energie Neutrinos , haben neue Untersuchungen bestätigt.
Eine umfassende Analyse hat einen ziemlich schlüssigen Zusammenhang zwischen Galaxien, die leuchtende Kerne, sogenannte Blazare, beherbergen, mit diesen rätselhaften Teilchen ergeben.
Es ist ein Ergebnis, das eine wirklich unerwartete Lösung für ein Problem bietet, das Astrophysikern seit Jahren Kopfzerbrechen bereitet.
„Die Ergebnisse liefern zum ersten Mal unwiderlegbare Beobachtungsbeweise dafür, dass die Teilstichprobe der PeVatron-Blasare extragalaktisch ist.“ Neutrino Quellen und damit Beschleuniger der kosmischen Strahlung“, sagte die Astrophysikerin Sara Buson von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg in Deutschland.
Neutrinos sind im besten Fall seltsame kleine Dinge. Diese subatomaren Teilchen sind allgegenwärtig und gehören zu den häufigsten im Universum.
Allerdings ist ihre Masse nahezu Null, sie sind elektrisch neutral und sie interagieren nur sehr wenig mit irgendetwas anderem im Universum. Für ein Neutrino könnte die normale Materie, aus der der größte Teil des Universums besteht, genauso gut ein Schatten sein; deshalb werden sie als Geisterteilchen bezeichnet.
Wir wissen ziemlich gut, woher Neutrinos – normale Neutrinos – kommen.
Sie entstehen durch radioaktiven Zerfall, was ziemlich häufig vorkommt. Die meisten Neutrinos, die wir auf der Erde entdecken, sind Nebenprodukte von Kernreaktionen in der Sonne, sie können aber auch beispielsweise durch Supernovae, künstliche Kernreaktionen oder die Wechselwirkung zwischen kosmischer Strahlung und Atomen entstehen.
Doch ein spezielles Observatorium in der Antarktis brachte einige wirklich bizarre Exemplare zutage.
Obwohl Neutrinos nicht viel mit normaler Materie interagieren, kommt es doch hin und wieder vor. Wenn sie mit Molekülen in Wasseratomen interagieren, können sie einen sehr kleinen Lichtblitz erzeugen.
Das IceCube-Neutrino-Observatorium verfügt über tief im antarktischen Eis am Südpol eingebettete Detektoren, die diese Blitze erkennen können. Diese Nachweise können die Energie des Neutrinos aufdecken.
Im Jahr 2012 wurde IceCube entdeckt zwei Neutrinos Das war mit nichts zu vergleichen, was wir je gesehen hatten. Ihre Energien lagen im Petaelektronenvolt-Bereich (PeV) – 100 Millionen Mal energiereicher als Supernova-Neutrinos. Und diese hochenergetischen Neutrinos stammten aus dem intergalaktischen Raum, deren Quelle unbekannt war.
Im Jahr 2018 erhielten wir einen Hinweis auf diese Quelle. Da Neutrinos nicht interagieren, bewegen sie sich praktisch geradlinig durch den Weltraum – so war dies durch eine große internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern möglich Ein hochenergetisches Neutrino auf einen Blazar zurückführen .
Das ist der Kern einer massereichen Galaxie, die von einem aktiven Supermassivstoff angetrieben wird schwarzes Loch , so abgewinkelt, dass Strahlen ionisierter Materie auf einen Punkt nahe der Lichtgeschwindigkeit direkt an der Erde beschleunigt.
„Es ist interessant, dass es in der Astrophysik-Gemeinschaft einen allgemeinen Konsens darüber gab, dass Blazare wahrscheinlich keine Quellen kosmischer Strahlung sind, und hier sind wir.“ sagte damals der Physiker Francis Halzen von der University of Wisconsin-Madison .
Dennoch blieben einige Fragen zum Zusammenhang zwischen Blazaren und hochenergetischen Neutrinos offen. Also tat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Buson, was Wissenschaftler tun: Sie gingen auf die Suche.
Sie nahmen die Neutrinodaten des gesamten Himmels von IceCube aus sieben Jahren und verglichen sie sorgfältig mit a Katalog mit 3.561 Objekten bei denen es sich entweder um bestätigte Blazare handelt oder dies mit hoher Wahrscheinlichkeit der Fall ist.
Sie führten einen Positionsvergleich dieser Kataloge durch und versuchten herauszufinden, ob hochenergetische Neutrinos eindeutig mit Blazar-Standorten am Himmel in Verbindung gebracht werden können.
„Mit diesen Daten mussten wir beweisen, dass die Blazare, deren Richtungspositionen mit denen der Neutrinos übereinstimmten, nicht zufällig dort waren“, erklärte die Astrophysikerin Andrea Tramacere der Universität Genf in der Schweiz.
„Nachdem wir mehrmals gewürfelt hatten, stellten wir fest, dass die zufällige Assoziation die der realen Daten nur einmal in einer Million Versuchen übertreffen kann!“ „Das ist ein starker Beweis dafür, dass unsere Assoziationen richtig sind.“
Laut der Analyse des Teams beträgt die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Auftretens 0,0000006. Dies deutet darauf hin, dass zumindest einige Blazare in der Lage sind, hochenergetische Neutrinos zu produzieren, was wiederum zur Lösung eines weiteren Problems beiträgt. Der Ursprung der hochenergetischen kosmischen Strahlung – Protonen und Atomkerne, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum strömen – ist auch ein großes Rätsel .
Laut Buson entstehen hochenergetische Neutrinos ausschließlich bei Prozessen, bei denen die kosmische Strahlung beschleunigt wird. Das bedeutet, dass wir nun Blazare mit der Beschleunigung der kosmischen Strahlung in Verbindung bringen können, sagte das Team.
„Der Akkretionsprozess und die Rotation des Schwarzen Lochs führen zur Bildung relativistischer Jets, in denen Teilchen beschleunigt werden und Strahlung bis zu einer Milliarde Energien der Energie des sichtbaren Lichts aussenden!“ Sagte Tramacere .
„Die Entdeckung des Zusammenhangs zwischen diesen Objekten und der kosmischen Strahlung könnte der ‚Rosetta-Stein‘ der Hochenergie-Astrophysik sein.“
Von hier aus gibt es mehrere Wege, die eine weitere Erkundung erfordern. Eine besteht darin, herauszufinden, warum einige Blazare effiziente Teilchenbeschleuniger sind, andere jedoch nicht. Dies wird dem Team helfen herauszufinden, was die Eigenschaften einer Neutrinofabrik sind und wo wir sie sonst noch im Kosmos finden könnten.
Darüber hinaus könnten weitere, detailliertere Analysen der Neutrinodaten zu weiteren Entdeckungen über die Geburtsorte dieser seltsamen, gespenstischen Teilchen führen.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe .