IceCube-Neutrinos geben uns einen ersten Einblick in die inneren Tiefen einer aktiven Galaxie

Zum ersten Mal hat ein internationales Team von Wissenschaftlern Hinweise auf hochenergetische Neutrino-Emissionen von NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, einer aktiven Galaxie im Sternbild Walfisch und einer der bisher bekanntesten und am besten untersuchten Galaxien, gefunden. Diese 47 Millionen Lichtjahre von uns entfernte Galaxie wurde erstmals 1780 entdeckt und kann mit großen Ferngläsern beobachtet werden.

Die Ergebnisse werden am 4. November 2022 in veröffentlicht Wissenschaftwurden heute in einem wissenschaftlichen Online-Webinar geteilt, an dem Experten, Journalisten und Wissenschaftler aus der ganzen Welt teilnahmen.

Die Detektion erfolgte am IceCube Neutrino Observatory, einem massiven Neutrino-Teleskop, das 1 Milliarde Tonnen instrumentiertes Eis in Tiefen von 1,5 bis 2,5 Kilometern unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols umfasst.

Dieses einzigartige Teleskop, das die entferntesten Bereiche unseres Universums mithilfe von Neutrinos erforscht, meldete 2018 die erste Beobachtung einer hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoquelle. Die Quelle, TXS 0506+056, ist ein bekannter Blazar, der sich vor der linken Schulter des Orion befindet Sternbild und 4 Milliarden Lichtjahre entfernt.

„Ein Neutrino kann eine Quelle ausmachen. Aber nur eine Beobachtung mit mehreren Neutrinos wird den verborgenen Kern der energiereichsten kosmischen Objekte enthüllen“, sagt Francis Halzen, Physikprofessor an der University of Wisconsin-Madison und Hauptforscher von IceCube.

Er fügt hinzu: „IceCube hat etwa 80 Neutrinos mit Teraelektronenvolt-Energie von NGC 1068 angesammelt, was noch nicht ausreicht, um alle unsere Fragen zu beantworten, aber sie sind definitiv der nächste große Schritt in Richtung der Verwirklichung der Neutrino-Astronomie.“

Im Gegensatz zu Licht können Neutrinos in großer Zahl aus extrem dichten Umgebungen im Universum entkommen und die Erde weitgehend ungestört von Materie und den elektromagnetischen Feldern erreichen, die den extragalaktischen Raum durchdringen. Obwohl Wissenschaftler vor mehr als 60 Jahren die Neutrino-Astronomie ins Auge gefasst haben, macht die schwache Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie und Strahlung ihren Nachweis extrem schwierig. Neutrinos könnten der Schlüssel zu unseren Fragen zur Funktionsweise der extremsten Objekte im Kosmos sein.

„Die Beantwortung dieser weitreichenden Fragen über das Universum, in dem wir leben, ist ein Hauptaugenmerk der US National Science Foundation“, sagt Denise Caldwell, Direktorin der Physikabteilung der NSF.

Wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist NGC 1068 eine vergitterte Spiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einer relativ kleinen zentralen Ausbuchtung. Im Gegensatz zur Milchstraße ist NGC 1068 jedoch eine aktive Galaxie, in der die meiste Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, das millionenfach massereicher ist als unsere Sonne und sogar massereicher als das inaktive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie.

NGC 1068 ist eine aktive Galaxie – insbesondere vom Typ Seyfert II –, die von der Erde aus in einem Winkel gesehen wird, der ihre zentrale Region verdeckt, in der sich das Schwarze Loch befindet. In einer Seyfert-II-Galaxie verdunkelt ein Torus aus Kernstaub den größten Teil der hochenergetischen Strahlung, die von der dichten Gas- und Partikelmasse erzeugt wird, die sich langsam nach innen in Richtung des Zentrums der Galaxie bewegt.

„Neuere Modelle der Umgebungen von Schwarzen Löchern in diesen Objekten legen nahe, dass Gas, Staub und Strahlung die Gammastrahlen blockieren sollten, die sonst die Neutrinos begleiten würden“, sagt Hans Niederhausen, Postdoktorand an der Michigan State University und einer der Hauptanalysatoren von das Papier. „Dieser Neutrino-Nachweis aus dem Kern von NGC 1068 wird unser Verständnis der Umgebung von supermassereichen Schwarzen Löchern verbessern.“

NGC 1068 könnte eine Standardkerze für zukünftige Neutrino-Teleskope werden, so Theo Glauch, Postdoktorand an der Technischen Universität München (TUM) in Deutschland, und ein weiterer Hauptanalysator.

„Es ist bereits ein sehr gut untersuchtes Objekt für Astronomen, und Neutrinos werden uns erlauben, diese Galaxie auf eine ganz andere Weise zu sehen. Eine neue Sichtweise wird sicherlich neue Erkenntnisse bringen“, sagt Glauch.

Diese Ergebnisse stellen laut Ignacio Taboada, Physikprofessor am Georgia Institute of Technology und Sprecher der IceCube Collaboration, eine erhebliche Verbesserung gegenüber einer früheren Studie zu NGC 1068 dar, die 2020 veröffentlicht wurde.

„Ein Teil dieser Verbesserung kam von verbesserten Techniken und ein Teil von einer sorgfältigen Aktualisierung der Detektorkalibrierung“, sagt Taboada. „Die Arbeit der Detektorbetriebs- und Kalibrierungsteams ermöglichte bessere Neutrinorichtungsrekonstruktionen, um NGC 1068 genau zu lokalisieren und diese Beobachtung zu ermöglichen. Die Auflösung dieser Quelle wurde durch verbesserte Techniken und verfeinerte Kalibrierungen ermöglicht, ein Ergebnis der harten Arbeit der IceCube Collaboration.“

Die verbesserte Analyse weist den Weg zu überlegenen Neutrino-Observatorien, die bereits in Arbeit sind.

„Das sind großartige Neuigkeiten für die Zukunft unseres Fachgebiets“, sagt Marek Kowalski, ein IceCube-Mitarbeiter und leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Deutschland. „Das bedeutet, dass es mit einer neuen Generation empfindlicherer Detektoren viel zu entdecken geben wird. Das zukünftige IceCube-Gen2-Observatorium könnte nicht nur viel mehr dieser extremen Teilchenbeschleuniger nachweisen, sondern auch ihre Untersuchung bei noch höheren Energien ermöglichen. Es ist, als ob.“ IceCube hat uns eine Karte zu einer Schatztruhe gegeben.“

Mit den Neutrino-Messungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 ist IceCube der Beantwortung der jahrhundertealten Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher gekommen. Darüber hinaus implizieren diese Ergebnisse, dass es möglicherweise noch viele weitere ähnliche Objekte im Universum gibt, die noch identifiziert werden müssen.

„Die Enthüllung des verdeckten Universums hat gerade erst begonnen, und Neutrinos werden eine neue Ära der Entdeckung in der Astronomie einleiten“, sagt Elisa Resconi, Physikprofessorin an der TUM und eine weitere Hauptanalysatorin.

„Vor einigen Jahren initiierte NSF ein ehrgeiziges Projekt, um unser Verständnis des Universums zu erweitern, indem etablierte Fähigkeiten in der optischen und Radioastronomie mit neuen Fähigkeiten kombiniert wurden, um Phänomene wie Neutrinos und Gravitationswellen zu erkennen und zu messen“, sagt Caldwell.

„Die Identifizierung einer benachbarten Galaxie durch das IceCube Neutrino Observatory als kosmische Quelle von Neutrinos ist nur der Anfang dieses neuen und aufregenden Feldes, das Einblicke in die unentdeckte Kraft massereicher Schwarzer Löcher und andere grundlegende Eigenschaften des Universums verspricht.“