Warum Ein 4 Milliarden Jahre Alter Partikel, Der Die Antarktis Trifft, Ein So Großer Deal Ist

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Ein internationales team von astronomen hat ein supermassives schwarzes loch im zentrum einer fernen galaxie als erste bekannte quelle für die geisterhaften teilchen ausgemacht.

Ein einziges energiereiches Neutrino traf am 22. September 2017 die Erde. Es kam aus einer fernen Galaxie, die um ein supermassives schwarzes Loch gewickelt war. Beginnend mit einem Blockbuster-Papier, das heute (12. Juli) in der Zeitschrift Science veröffentlicht und von Hunderten von Wissenschaftlern in Dutzenden von Laboratorien unterzeichnet wurde, führt es die schwindelerregenden Astrophysiker an, ihre Modelle des Universums umzuschreiben.

Denn zum ersten Mal hinterließ dieses energiereiche Neutrino, ein geisterhaftes Teilchen, das kaum mit anderen Substanzen interagiert, genügend Hinweise, um herauszufinden, woher es kam.

Dieses Neutrino flog 4 Milliarden Jahre lang ungestört durch den Weltraum. Es könnte Sterne, Felsbrocken oder andere Galaxien passiert haben. Es könnte sogar durch sie hindurchgegangen sein; Neutrinos können normalerweise durch die Materie strömen, ohne Spuren zu hinterlassen. So dauerte es die meiste Zeit, um auf der Erde aufzutauchen, um Bakterien, Pilze, Pflanzen und Tiere zu bilden, und für eines dieser Tiere (uns), um ihre Existenz zu entdecken, reiste dieses Neutrino ungestört. [Die 18 größten ungelösten Geheimnisse der Physik]

Dann stürzte es in einem Eisblock in der Antarktis gegen ein Atom, spuckte ein anderes energiereiches Teilchen, das Myon genannt wurde, in das IceCube-Neutrino-Observatorium, einen massiven Teilchendetektor, der unter dem antarktischen Eis begraben war, und verschwand für immer.

Ein dünner Strom energiereicher Neutrinos dringt aus der Tiefe des Kosmos ständig in die Erde ein. Aber diese Neutrino-Kollision war etwas Besonderes: Die Wissenschaftler waren bereit dafür. Jahre der Verfeinerung ihrer Instrumente hatten sie darauf vorbereitet, das Neutrino ausfindig zu machen, schnell herauszufinden, aus welchem ​​Teil des Himmels es stammte, und dann Teleskope aus der ganzen Welt auf diesen Himmelsbereich zu richten. Es war nicht das erste Mal, dass sie dies versuchten, aber dieses Mal funktionierte es: Das Fermi-Gamma-Ray-Weltraumteleskop - und dann Dutzende weitere Observatorien auf der ganzen Welt - ertönte das schwache Signal der Heimatgalaxie des Neutrinos - als "Blazar" bezeichnet. Dank seiner Flamme elektromagnetischer Energie, die auf die Erde schießt - flackernd.

Es gibt einen Blazar im Weltall, stellten die Forscher fest, Teil der hellsten Objektfamilie des Universums: Galaxien mit supermassiven Black Hole-Motoren, die Energiestrahlen auf die Erde abfeuern. Und dieser Blazar beschleunigt Neutrinos auf enorme Energien und schleudert sie auf unseren Planeten.

Ein kosmisches Detektivprojekt

Laut Derek Fox, einem Astrophysiker der Pennsylvania State University, dessen Team einen entscheidenden Teil der Forschung leitete, wäre es ohne IceCube nicht möglich gewesen, eine Quelle kosmischer Neutrinos aufzuspüren. [IceCube-Fotos: Physiklabor unter antarktischem Eis begraben]

Die überwiegende Mehrheit der Neutrinos, die jeden Tag durch unseren Körper strömen, sagte Fox zu WordsSideKick.com, bilden sich in der Erdatmosphäre - die Produkte von Kollisionen zwischen dem Gas und anderen hochenergetischen kosmischen Partikeln. Sogar die wenigen Instrumente auf der ganzen Welt, die empfindlich genug sind, um Neutrinos zu entdecken, sind mehr oder weniger blind für die viel selteneren kosmischen Neutrinos, da der "Nebel" von lokalen Neutrinos die Sicht verdeckt.

Aber 2013 durchbohrte IceCube diesen Nebel. Das Observatorium war empfindlich genug geworden, um die kosmischen Neutrinos mit höherer Energie aus der Hintergrundstrahlung ihrer niederenergetischen atmosphärischen Verwandten zu entfernen. Das Papier, das 2013 diese Entdeckung in der Wissenschaft ankündigte, war selbst ein riesiges Ergebnis für die Neutrino-Wissenschaft - der erste direkte Beweis für Neutrinos, die so weit weg entstanden sind.

Das IceCube-Labor in der Antarktis, hinter der Milchstraße und am Horizont eine Aurora. Bild im Mai 2017 aufgenommen.

Das IceCube-Labor in der Antarktis, hinter der Milchstraße und am Horizont eine Aurora. Bild im Mai 2017 aufgenommen.

Bildnachweis: Martin Wolf / IceCube / NSF

Der nächste wichtige Schritt, so Regina Caputo, ein Teilchen-Astrophysiker an der University of Maryland, der das Teleskop-Team von Fermi leitete, das zuerst den aufflammenden Blazar entlang des Neutrino-Pfades entdeckte, bestand darin, herauszufinden, wie diese Neutrino-Daten am effektivsten eingesetzt werden können, um das zu jagen Teilchenquellen. [Seltsame Quarks und Myon: Zersplitterte kleinste Teilchen der Natur (Infografik)]

Hier kam das Team von Fox ins Spiel. Azadeh Keivani, ein Astrophysiker, der zu dieser Zeit ein Postdoktorand im Labor von Fox war und nun ein Fellow an der Columbia University ist, sagte, IceCube brauche zu lange, um kosmische Neutrinos zu finden, damit die Informationen leicht zu finden sind verwendbar.

"Im schnellsten Fall würde es einige Stunden dauern, und wir haben es auf weniger als eine Minute reduziert", sagte Keivani gegenüber WordsSideKick.com.

Bei dieser Geschwindigkeit könne IceCube nur wenige Augenblicke nach einer interessanten Entdeckung Observatorien auf der ganzen Welt alarmieren, sagte sie. IceCube konnte den Weg des Neutrinos bereits genau genug verfolgen (durch Untersuchung des von ihm emittierten Myons), um seine Quelle auf einen Himmelsfleck einzugrenzen, der etwa doppelt so breit war wie ein Vollmond. Durch das schnelle Herausfinden dieser Informationen konnte eine ganze Batterie der empfindlichsten Teleskope der Welt diesen Raum durchsuchen - in Bezug auf Astronomie nach Angaben von Caputo immer noch ein sehr breites Suchgebiet -, um Hinweise darauf zu finden, woher sie kamen.

Die erkennung

Als das Neutrino, jetzt IceCube-170922A genannt, den Detektor traf, saß Darren Grant in seinem Büro an der University of Alberta. Der IceCube-Sprecher und Astrophysiker sagte, es sei bemerkenswert - interessant genug, um mit einem Kollegen im Flur zu plaudern -, aber nicht schockierend.

"IceCube entdeckt etwa einmal im Monat Neutrinos [auf diesem Energieniveau]", sagte Grant gegenüber WordsSideKick.com. "Es wird eine Art Routine."

Laut Fox seien elf weitere Neutrinos auf diesem Energieniveau auf den Detektor gestoßen, seit die Zusammenarbeit mit anderen Teleskopen begann, und bis jetzt war noch kein einziger auf die Quelle zurückzuführen.

Der Alarm ging aus, Observatorien auf der ganzen Welt richteten ihre Teleskope auf das Himmelsstück, von dem sie kamen, und dann, sagte Fox, geschah nichts.

"Es schien nicht so, als gäbe es am Himmel etwas Merkwürdiges", sagte er. Astronomen bemerkten den Blazar, der jedoch nicht als wahrscheinliche Quelle heraussprang. "Für uns war es zu diesem Zeitpunkt nur eine Art Neutrino Nummer 12, und wir haben es auf die Liste gesetzt [und sind weitergegangen]."

Aber dann, einige Tage später, warfen Forscher bei Fermi einen Alarm aus: Dieser Blazar flimmerte. Das Gammastrahlen-Teleskop hatte gesehen, dass es achtmal mehr Gammastrahlen als üblich emittierte, das hellste, das es je war. Etwas - die Forscher wissen nicht genau was - veranlasste die Galaxie dazu, einen Strahl superschneller, hochenergetischer Gamma-Photonen zu emittieren. Derselbe Vorgang hätte das Neutrino ausstrahlen können.

"Der Trick bei Blazaren ist, dass es nur bei einer Wellenlänge aufflackert, nicht bei einer anderen Wellenlänge", sagte Caputo.

Fermi, ein sehr weitwinkliges Observatorium, das auf einen wichtigen Teil des Gammastrahlenspektrums anspricht, war gut auf die vom Blazar kommende Gammastrahlung abgestimmt und hatte bereits im April bemerkt, dass es flammte. Und sobald diese wahrscheinliche Quelle entdeckt worden war - die an diesem Tag nicht zu anderen Teleskopen gesprungen war, weil sie für diesen Bereich des Spektrums nicht so empfindlich waren - konnten andere Teleskope nachfolgen, um den Blazar als wahrscheinliche Neutrinoquelle zu bestätigen.

"Wir konnten sagen: 'Oh, das kommt wahrscheinlich von diesem Wappen.' Dann könnten alle anderen Teleskope wirklich auf diese bestimmte Quelle ausgerichtet werden ", sagte Caputo.

Ein anderes Gamma-Ray-Observatorium, MAGIC auf den Kanarischen Inseln vor der Westküste Afrikas, machte daraufhin Beobachtungen, die dazu beitrugen, dass dieser Blazar TXS 0506 + 056 als Quelle des Neutrinos bestätigt wurde, sagte sie. Viele weitere Observatorien zeigten schließlich ähnliche Ergebnisse. Zum ersten Mal hatten Astrophysiker die Quelle eines kosmischen Neutrinos identifiziert. Später zeigten Forscher, die alte Daten untersuchten, dass mehrere weitere Neutrinos, die in den letzten neuneinhalb Jahren bei IceCube entdeckt wurden, wahrscheinlich vom selben Blazar stammten. Dieses Ergebnis wurde auch heute (12. Juli) in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Was es bedeutet

Während sowohl Caputo als auch Fox sagten, dass sie vermuteten, dass Blazars an kosmischen Neutrinos beteiligt waren, und die Idee war seit vielen Jahren populär gewesen (Fox wies auf einen Artikel hin, der 2001 im Preprint-Journal arXiv veröffentlicht wurde, in dem vermutet wird, dass dieser genaue Blazar eine Neutrinoquelle sein könnte) Es war in Ungnade gefallen. Die Forscher begannen sich Sorgen zu machen, sagte Fox, es gäbe einfach nicht genug Blazare am Himmel, um die verschiedenen Richtungen zu berücksichtigen, aus denen kosmische Neutrinos stammen.

Dieses Ergebnis ist ein "erster Schritt" und "Proof of Concept", sagte Grant und zeigte zunächst, dass zumindest einige Neutrinos von Blazaren stammen.

Allerdings, so Caputo, wissen die Forscher immer noch nicht, wie der Blazar die Neutrinos produziert. (Obwohl es auch Begleitpapiere gibt, die sich mit der Physik beschäftigen.) Und es gibt wahrscheinlich andere Arten von Neutrinoquellen, die die Forscher noch entdecken müssen. Forscher haben die Schwelle zur präzisen Neutrinoastronomie überschritten, sagte Grant. Aber es gibt noch viel mehr zu lernen.

Ursprünglich veröffentlicht am Live-Wissenschaft.


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