IceCube registriert rätselhaftes Signal, Spur führt 11 Milliarden Jahre zurück
Forschende identifizieren eine ferne Sternfabrik als mögliche Quelle hochenergetischer Neutrinos. Könnte sie 20 % des Neutrino-Hintergrunds erklären?
Tief im antarktischen Eis registrieren die Sensoren des IceCube-Neutrino-Observatoriums hochenergetische Neutrinos aus dem All. Ein solches Signal brachte Forschende nun auf die Spur einer möglichen Neutrino-Quelle im frühen Universum.
Foto: picture alliance / Photoshot | (/NSF) (zcc)
Neutrinos gehören zu den größten Rätseln unseres Universums. Sie besitzen keine elektrische Ladung, haben eine nahezu verschwindend geringe Masse und durchqueren selbst ganze Planeten nahezu ungehindert. Jede Sekunde durchqueren Billionen dieser „Geisterteilchen“ die Erde – und nahezu alles, was sich auf ihr befindet.
Trotz ihrer Schwerfassbarkeit sind Neutrinos für die moderne Astronomie Gold wert. Sie transportieren Informationen aus Regionen des Kosmos, die für herkömmliche Teleskope unsichtbar bleiben. Doch eine fundamentale Frage beschäftigt die Astrophysik seit Jahrzehnten: Wo genau entstehen die hochenergetischen Neutrinos, die wir auf der Erde messen?
Eine neue Studie in der Fachzeitschrift Nature Astronomy liefert nun einen weiteren Hinweis auf die mögliche Herkunft dieser Teilchen. Ein internationales Forschungsteam hat eine extrem weit entfernte Galaxie identifiziert, die als natürliche Neutrino-Fabrik arbeiten könnte.
Inhaltsverzeichnis
Ein Geisterteilchen aus den Tiefen des Weltalls
Schon seit den 1960er Jahren registrieren Detektoren auf der Erde hochenergetische Neutrinos aus dem Weltraum. Einige Ursprungsorte sind bekannt – etwa aktive Galaxienkerne, in denen supermassereiche Schwarze Löcher Materie verschlingen.
Das Problem dabei: Diese bekannten Quellen reichen bei Weitem nicht aus, um die gesamte gemessene Neutrino-Strahlung zu erklären. In der Astronomie vermutet man daher schon lange unentdeckte Quellen.
Den entscheidenden Hinweis lieferte das IceCube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis. Im September 2021 registrierten die Detektoren im ewigen Eis ein besonders energiereiches Neutrino mit der Bezeichnung IC 210922A. Die Flugrichtung deutete auf das Sternbild Eridanus. Sofort begann weltweit eine intensive Jagd nach dem Ursprung des Signals.
Die üblichen Verdächtigen lieferten keine Antworten
Normalerweise halten Forschende in so einem Fall nach den üblichen kosmischen Gewalttaten Ausschau:
- Supernova-Explosionen
- Gammastrahlenausbrüche (GRBs)
- Aktive Schwarze Löcher
Doch diesmal verlief die Suche im sichtbaren Licht, im Röntgenbereich und bei Gammastrahlen im Sande. Kein bekanntes Objekt passte ins Profil.
„Shadow Blaster“: Eine Galaxie tritt ins Rampenlicht
Wenige Tage nach dem IceCube-Alarm untersuchte ein Team um Yuji Urata (MITOS Science Co., Taiwan) die Region mit dem James Clerk Maxwell Telescope und dem Submillimeter Array auf Hawaii. Dabei stießen sie auf eine außergewöhnliche Galaxie, die schnell den Spitznamen „Shadow Blaster“ erhielt.
Das Objekt mit der Katalogbezeichnung JCMT0402−0424 ist rund 11 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Wir sehen diese Galaxie also zu einer Zeit, als das Universum noch extrem jung war. Das Besondere: Ihre starke Infrarotstrahlung deutet darauf hin, dass dort mit hoher Geschwindigkeit neue Sterne entstehen.
Kosmische Lupe enthüllt die Details
Dass wir Shadow Blaster überhaupt so genau analysieren können, verdanken wir einem astrophysikalischen Glücksfall: einer Gravitationslinse.
Zwischen der Erde und der fernen Galaxie liegt eine massereiche Vordergrundgalaxie. Deren Schwerkraft wirkt wie eine gigantische Lupe – sie verzerrt und verstärkt das Licht des dahinterliegenden Objekts. Ohne diesen natürlichen Verstärkungseffekt wären die Details im Staub verborgen geblieben.
„Die kombinierten Daten halfen uns, die Entfernung zur Linsengalaxie zu messen und festzustellen, dass es sich um eine massive elliptische Galaxie handelt“, erklärt Studienleiter Yuji Urata.
Sternenfabrik statt Schwarzes Loch
Die entscheidenden Puzzleteile lieferte schließlich der Radioteleskopverbund ALMA. Im Zentrum von Shadow Blaster entdeckte das Team einen extrem kompakten, staubreichen Bereich. Hier entstehen neue Sterne mit einer außergewöhnlich hohen Rate.
Theoretische Modelle zeigen: In einer derart dichten Gasumgebung kollidieren energiereiche Teilchen permanent. Bei diesen kosmischen Zusammenstößen entstehen unter anderem hochenergetische Neutrinos.
Die Forschenden fanden zudem keine überzeugenden Hinweise auf ein aktives Schwarzes Loch als dominierende Energiequelle. Dadurch rückt die intensive Sternentstehung als möglicher Ursprung des Neutrinos stärker in den Fokus.
Ein neues Fenster zum frühen Universum
Vor rund zehn Milliarden Jahren verlief die Sternentstehung im Universum deutlich intensiver als heute. Genau solche Systeme gelten seit Langem als Brutstätten kosmischer Strahlung – doch der Nachweis war aufgrund der enormen Distanzen und dichten Staubwolken schwierig. Shadow Blaster liefert nun Beobachtungsdaten, die sich mit diesen theoretischen Vorhersagen vergleichen lassen.
Noch ist die Verbindung zum Neutrino IC 210922A nicht endgültig nachgewiesen. Nach Einschätzung des Forschungsteams handelt es sich jedoch um den bislang plausibelsten Kandidaten innerhalb der untersuchten Himmelsregion. Bestätigt sich der Verdacht, wäre dies die erste direkte Zuordnung eines hochenergetischen Neutrinos zu einer stark sternbildenden, staubreichen Galaxie.
Die Tragweite geht noch weiter: Galaxien dieses Typs waren im frühen Kosmos weit verbreitet. Laut den Berechnungen des Teams könnten sie bis zu 20 % des diffusen Neutrino-Hintergrunds ausmachen, den wir heute messen. Das würde das bisherige Bild der Neutrino-Produktion im Universum deutlich erweitern.
Oder wie Martin Still von der US National Science Foundation es formuliert: „Dieser Durchbruch zeigt, wie Teilchendetektoren und Teleskope gemeinsam ein leistungsstarkes ‚Multi-Messenger‘-Fenster zum Universum öffnen.“
Sollte sich der Zusammenhang bestätigen, könnten die staubigen Sternfabriken des jungen Universums eine deutlich größere Rolle bei der Entstehung hochenergetischer Neutrinos spielen als bislang angenommen. Das würde erklären, warum ein Teil dieser rätselhaften Teilchen bislang keiner bekannten Quelle zugeordnet werden konnte.
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