Ein Neutrino-Porträt unserer Galaxie zeigt hochenergetische Teilchen aus dem Inneren der Milchstraße

Unsere Milchstraße ist ein beeindruckendes Merkmal des Nachthimmels, das mit bloßem Auge als verschwommenes Sternenband sichtbar ist, das sich von Horizont zu Horizont erstreckt.

Zum ersten Mal hat das IceCube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis mithilfe von Neutrinos – winzigen, geisterhaften astronomischen Boten – ein Bild der Milchstraße erstellt.

In einer am 29. Juni in der Zeitschrift veröffentlichten Studie WissenschaftDie IceCube Collaboration – eine internationale Gruppe von mehr als 350 Wissenschaftlern – legt Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Milchstraße vor.

Wir haben noch nicht genau herausgefunden, wo in unserer Galaxie diese Teilchen herkommen. Aber das heutige Ergebnis bringt uns der Entdeckung einiger der extremsten Umgebungen der Galaxie einen Schritt näher.

Neutrino-Astronomie

Neutrinos bieten einen einzigartigen Blick auf den Kosmos, da sie direkt von Orten aus reisen können, von denen keine andere Strahlung oder Teilchen entkommen können. Das macht sie für Astronomen sehr interessant, da Neutrinos einen Einblick in die extremen kosmischen Umgebungen bieten, die eine andere Art von Teilchen namens kosmische Strahlung erzeugen.

Kosmische Strahlung sind hochenergetische Teilchen, die unser Universum durchdringen, deren Ursprung jedoch schwer zu bestimmen ist. Kosmische Strahlung ist elektrisch geladen, was bedeutet, dass ihr Weg durch den Weltraum durch Magnetfelder gestört wird, und wenn man auf der Erde ankommt, kann man nicht sagen, woher sie kommt.

Allerdings produzieren die Umgebungen, die kosmische Strahlung auf außergewöhnliche Energien beschleunigen, auch Neutrinos – und Neutrinos haben keine elektrische Ladung, sodass sie sich in schönen geraden Linien fortbewegen. Wenn wir also den Weg der auf der Erde ankommenden Neutrinos bestimmen können, deutet dies darauf hin, wo die Neutrinos entstanden sind.

Doch der Nachweis dieser Neutrinos ist nicht so einfach.

Wie man Neutrinos jagt

Das IceCube-Neutrino-Observatorium liegt nicht weit vom Südpol entfernt. Es verwendet mehr als 5.000 Lichtsensoren, die über einen Kubikkilometer unberührten antarktischen Eises verteilt sind, um nach Anzeichen hochenergetischer Neutrinos aus unserer Galaxie und darüber hinaus zu suchen.

Unzählige Neutrinos strömen ständig durch die Erde, aber nur ein kleiner Bruchteil von ihnen stößt auf ihrem Weg auf irgendetwas.

Jede Neutrino-Wechselwirkung erzeugt einen winzigen Lichtblitz – und auf diese winzigen Blitze achten die IceCube-Sensoren. Aus der Menge und dem Muster des detektierten Lichts können Richtung und Energie des Neutrinos bestimmt werden.

IceCube hat zuvor hochenergetische Neutrinos entdeckt, die von außerhalb der Milchstraße stammen. Allerdings war es schwieriger, die Neutrinos mit niedrigerer Energie aus dem Inneren unserer Galaxie zu isolieren.

Dies liegt daran, dass einige von IceCube entdeckte Blitze auf kosmische Strahlung zurückgeführt werden können, die auf die Erdatmosphäre trifft und Neutrinos und andere Teilchen namens Myonen erzeugt. Um diese Blitze herauszufiltern, haben IceCube-Forscher Methoden entwickelt, um in der Atmosphäre erzeugte Partikel von solchen aus weiter entfernten Bereichen anhand der Form der Lichtmuster, die sie im Eis erzeugen, zu unterscheiden.

Das Herausfiltern der unerwünschten Erkennungen hat IceCube empfindlicher gegenüber astrophysikalischen Neutrinos gemacht. Der endgültige Durchbruch, der die Erstellung eines Neutrinobilds der Milchstraße ermöglichte, erfolgte durch Methoden des maschinellen Lernens, die die Identifizierung der von Neutrinos erzeugten Lichtkaskaden sowie die Bestimmung der Richtung und Energie des Neutrinos verbessern.

Wir nähern uns der kosmischen Strahlung

Die neue Neutrinolinse in unserer Galaxie wird dabei helfen, herauszufinden, wo sich die stärksten Beschleuniger der galaktischen kosmischen Strahlung befinden. Wir hoffen zu erfahren, wie energiereich diese Teilchen werden können und wie diese hochenergetischen galaktischen Motoren im Inneren funktionieren.

Wir müssen diese Beschleuniger jedoch noch in der Milchstraße lokalisieren. Die neue IceCube-Analyse fand Hinweise auf Neutrinos aus weiten Regionen der Galaxie, konnte jedoch keine einzelnen Quellen erkennen.

Unser Team an der University of Canterbury in Neuseeland und der University of Adelaide in Australien hat einen Plan, um diesen nächsten Schritt zu verwirklichen.

Wir erstellen Modelle, um das Neutrinosignal in der Nähe wahrscheinlicher Teilchenbeschleuniger vorherzusagen, damit wir gezielt nach Neutrinos suchen können.

Die Studentin Rhia Hewett und Ph.D. Student Ryan Burley untersucht Paare von Beschleunigerkandidaten und molekularen Staubwolken. Sie planen, den Fluss von Neutrinos abzuschätzen, die durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung in den Wolken erzeugt werden, nachdem die Neutrinos die Beschleuniger verlassen haben.

Ihre Ergebnisse werden sie nutzen, um eine gezielte Suche in IceCube-Daten nach den Quellen von Neutrino-Emissionen zu ermöglichen. Wir glauben, dass dies der Schlüssel zur Nutzung von IceCube sein wird, um die Geheimnisse der energiereichsten Prozesse in der Milchstraße zu entschlüsseln.

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