Das Universum im anderen Licht

13.07.2018
Die IceCube-Arbeitsgruppe am III. Physikalischen Institut B der RWTH Aachen. Urheberrecht: Jan Auffenberg/RWTH

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der RWTH unter Leitung von Professor Christopher Wiebusch vom III. Physikalischen Institut B machten zusammen mit dem internationalen Forscherteam des IceCube-Experiments eine einzigartige Entdeckung: Sie haben eine Quelle hochenergetischer kosmischer Neutrinos geortet, die Milliarden Lichtjahre durch das Weltall reisen und scheinbar mühelos sogar die Erde durchqueren. Eine gemeinsame Beobachtungskampagne mit 18 beteiligten Observatorien löste ein einzelnes spektakuläres Neutrino aus, welches das am Südpol gelegene Neutrinoteleskop IceCube am 22. September 2017 aufzeichnete. Die Ergebnisse wurden im Fachblatt „Science“ vorgestellt.

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Die Beobachtungen sind ein entscheidender Schritt zur Lösung des alten Rätsels: Wo kommt die kosmische Strahlung her? „Wir können jetzt genauere Antworten liefern“, sagt Wiebusch. Sein Assistent René Reimann, der maßgeblich zum Ergebnis beitrug, fügt hinzu: „Wir konnten ein Neutrino feststellen und den Ursprung zu der extrem stark leuchtenden aktiven Galaxie mit dem Katalognamen ‚TXS-0506+056‘ im Sternbild Orion zurückverfolgen. Richtig spannend wurde es, als wir gezielt die archivierten Daten von fast zehn Jahren Beobachtung durcharbeiteten. Wir fanden eine zweite Neutrinoeruption im Jahr 2015 für dieselbe Quelle.“

Vor fünf Jahren hat IceCube zum ersten Mal hochenergetische Neutrinos aus den Tiefen des Weltalls nachgewiesen. Die Ankunftsrichtungen schienen aber zunächst zufällig über den Himmel verteilt zu sein. Wiebusch resümiert: „Diese frühere Eruption liefert zusammen mit dem Einzelereignis vom 22. September 2017 den bislang besten experimentellen Beleg dafür, dass aktive Galaxien Quellen energiereicher kosmischer Teilchen sind.“

Boten aus dem Hochenergie-Universum

Die energiereichen Neutrinos entstehen nach Vorstellung der Wissenschaftler als charakteristisches Nebenprodukt in kosmischen Teilchenbeschleunigern. Das sind etwa Materiestrudel gigantischer Schwarzer Löcher oder explodierende Sterne. Anders als elektrisch geladene Atomkerne werden die elektrisch neutralen Neutrinos auf ihrem Weg durchs Weltall nicht von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt, so dass ihre Ankunftsrichtung direkt zur Quelle weist.

Der Nachweis von Neutrinos ist allerdings extrem aufwendig, denn die „geisterhaften“ Elementarteilchen durchqueren oft einfach die komplette Erde, ohne eine Spur zu hinterlassen. Nur ganz selten reagiert ein Neutrino mit seiner Umgebung. Es erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen einzufangen. „Darum haben wir 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt, jedes 2.500 Meter tief. In diese Löcher wurden, verteilt über einen Kubikkilometer, 5.160 Lichtsensoren installiert. Diese registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei den seltenen Neutrino-Reaktionen im durchsichtigen Eis entstehen“, erklärt Dr. Jan Auffenberg, ebenfalls Physiker der RWTH.

Die internationale IceCube-Kollaboration besteht aus rund 300 Wissenschaftlern aus zwölf Ländern und wird unter der Federführung der US-amerikanischen National Science Foundation betrieben. Die University of Wisconsin/Madison ist die Leitinstitution, sie trägt die Hauptverantwortung für den Betrieb des IceCubes. Deutschland stellt nach den USA das zweitstärkste Kontingent des Teams. Neben DESY (Deutsche Elektronen-Synchrotron) sind neun deutsche Universitäten beteiligt: RWTH Aachen, Humboldt-Universität zu Berlin, Ruhr-Universität Bochum, TU Dortmund, Universität Erlangen-Nürnberg, Gutenberg-Universität Mainz, Universität Münster, TU München und Bergische Universität Wuppertal. Die deutsche Beteiligung am Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, die Helmholtz-Gemeinschaft, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die beteiligten Universitäten getragen.

Redaktion: Presse und Kommunikation