Schattengalaxie
Quelle eines mysteriösen Geisterteilchens aus den Tiefen des Alls identifiziert
2021 wurde ein Neutrino mit extrem hoher Energie gemessen. Bisher scheiterten Versuche, seine Quelle zu finden. Nun gibt es eine heiße Spur
Reinhard Kleindl
Die wahrscheinliche Quelle des hochenergetischen Neutrinos konnte nur dank einer Kombination verschiedener Teleskope untersucht werden.
Wenn derzeit in Nordamerika Fußballer versuchen, Bälle in Tore zu schießen, vertrauen sie ganz selbstverständlich darauf, dass sie im Netz landen und nicht hindurchfliegen. Schießt man statt Bällen Staubkörner auf ein Fußballtor, ist damit nicht mehr zu rechnen. Geht man zudem davon aus, dass diese Staubkörner nicht mit der Energie eines trainierten Athletenbeins, sondern der eines fahrenden Lkw beschleunigt wurden, gewinnt man eine Vorstellung von der Situation, mit der Fachleute bei der Erforschung von Neutrinos konfrontiert sind.
Neutrinos sind extrem leicht und durchdringen alle Materie beinahe mühelos. Wenn sie zufällig doch einmal mit einem anderen Teilchen zusammenstoßen, ist das nur mit einigem experimentellem Aufwand feststellbar. Nicht umsonst gab es lange Zeit Zweifel, ob man Neutrinos überhaupt jemals experimentell nachweisen könnte. Das gelang 1956, mehr als zwei Jahrzehnte nachdem der österreichische Physiker Wolfgang Pauli das Neutrino theoretisch postuliert hatte.
Astronomie mit Geisterteilchen
Seither sind Neutrinos, die ständig von allen Seiten aus dem All auf die Erde einprasseln, zu einer wichtigen Quelle von Informationen über das Universum geworden. Einer der wichtigsten Detektoren ist Ice-Cube, das einen Kubikkilometer durchmessende Raster von lichtempfindlichen Detektoren tief im antarktischen Eis. Normalerweise ist es dort vollständig dunkel, doch manchmal trifft eines der Neutrinos zufällig auf einen Atomkern in den Wassermolekülen. Wenn es sich noch dazu um eines handelt, in dem extrem viel Energie steckt, entsteht ein Elektron oder ein verwandtes Teilchen, das einen Lichtblitz durchs Eis schickt, vergleichbar mit der Bugwelle eines Boots im Wasser. Durch die Vermessung dieses Lichts lässt sich auf das Neutrino rückschließen.
Am 22. September 2021 registrierte Ice-Cube ein Neutrino mit einer errechneten Energie von etwa 750 Teraelektronenvolt (TeV), das den Namen IC 210922A erhielt. Zum Vergleich: Der größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt, der LHC am Kernforschungszentrum Cern bei Genf, kann Teilchen auf eine Energie von 6,5 TeV beschleunigen. Ein TeV ist etwa die Energie einer fliegenden Stechmücke. Für subatomare Teilchen sind solche Werte geradezu aberwitzig hoch.
Das James-Clerk-Maxwell-Teleskop auf dem Mauna Kea auf Hawaii ist eines der drei eingesetzten Teleskope.
Suche nach dem Ursprung
Wie extreme Teilchen nach dem Muster von IC 210922A entstehen, ist bislang nicht genau verstanden. Nun bringt eine Studie im Fachjournal Nature Astrophysics neues Licht ins Dunkel. Ice-Cube besitzt die nützliche Fähigkeit, die Richtung festzustellen, aus der IC 210922A kam, in diesem Fall eine Himmelsregion des auf der Südhalbkugel sichtbaren Sternbildes Eridanus. Das Ice-Cube-Team vermutete damals einen Blazar als Quelle, also einen Galaxienkern mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in seinem Zentrum.
Um welches Objekt es sich genau handeln könnte, war aber ungeklärt. Auf die Suche danach machten sich bereits kurz nach der Ice-Cube-Messung verschiedene Forschungsteams in aller Welt, allerdings ohne Erfolg. Jetzt wurde ein Forschungsteam um Yuji Urata von der National Central University in Taiwan fündig. Das Team nutzte das Gemini-North-Teleskop, das James-Clerk-Maxwell-Teleskop und das Submillimeter Array, die allesamt auf dem Gipfel des Vulkans Mauna Kea auf Hawaii liegen. Sie wurden unmittelbar nach der Neutrinomessung aktiviert.
Durch die Lupe
Das Ergebnis ist eine Überraschung: Das Neutrino stammt offenbar nicht von einem Schwarzen Loch. Der wahrscheinliche Kandidat ist eine ungewöhnliche Galaxie, die "Shadow Blaster" genannt wurde, weil sie dicht in Staub gehüllt ist. Untersuchen ließ sie sich nur dank eines Glückfalls, denn eine davor liegende Galaxie krümmt mit ihrer Masse den Raum und fungiert so als Gravitationslinse, die das Bild der elf Milliarden Lichtjahre entfernten Shadow-Blaster-Galaxie vergrößert.
So sah das Alma-Teleskop die Shadow-Blaster-Galaxie. Die sonderbare Form kommt durch eine Verzerrung des Raums aufgrund einer Galaxie im Vordergrund zustande.
Um das Bild richtig interpretieren zu können, war es nötig, möglichst viel über die Linsengalaxie im Vordergrund zu erfahren. "Anhand der kombinierten GMOS- und GNIRS-Daten konnten wir die Entfernung zur Linsengalaxie messen und feststellen, dass es sich um eine massereiche elliptische Galaxie handelt. Diese Informationen waren entscheidend für die Abschätzung der Massenverteilung der Linse und die Erstellung eines Modells der Gravitation…
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