Künstlerische Darstellung, wie Blazar Protonen beschleunigt, die Pionen erzeugen, die wiederum Neutrinos und Gammastrahlen erzeugen. Neutrinos sind immer das Ergebnis von Hadronenreaktionen. Gammastrahlen können sowohl in Hadronen- als auch in elektromagnetischen Wechselwirkungen auftreten.Eines der größten Geheimnisse der Wissenschaft ist die Definition nicht nur der Objekte, die im Universum existieren, sondern auch der Signalquellen, die wir hier auf der Erde fixieren. Seit mehr als hundert Jahren wissen wir, dass kosmische Strahlen das Universum pflügen: hochenergetische Teilchen, deren Quellen weit über die Grenzen unserer Galaxie hinausgehen. Und obwohl einige der Quellen dieser Teilchen bereits identifiziert wurden, blieben die meisten von ihnen, einschließlich derjenigen, die am energischsten sind, ein Rätsel.
Und so hat sich diese Situation geändert. Die IceCube-Zusammenarbeit am 22. September 2017 entdeckte ultrahochenergetische Neutrinos, die am Südpol ankamen, und konnte ihre Quelle bestimmen. Wenn mehrere im Gammabereich arbeitende Teleskope auf denselben Punkt gerichtet waren, sahen sie nicht nur das Signal, sondern
erkannten auch den Blazar, der gerade in diesem Moment blitzte . Schließlich hat die Menschheit mindestens eine Quelle entdeckt, die diese ultraenergetischen kosmischen Teilchen erzeugt.
Wenn Schwarze Löcher Materie verschlingen, erzeugen sie eine Akkretionsscheibe und Düsen, die von beiden Polen senkrecht dazu ausgehen. Wenn ein Strom eines supermassiven Schwarzen Lochs auf uns zeigt, nennen wir es einen Blazar, und in einem bestimmten Fall war es ein Objekt der BL-Eidechse. Jetzt gelten sie als Hauptquelle für kosmische Strahlung und energiereiche Neutrinos.Das Universum, wohin wir auch schauen, ist voller Dinge, die beobachtet werden können und mit denen Sie interagieren können. Materie bröckelt und bildet Galaxien, Sterne, Planeten und sogar Menschen. Strahlung fließt durch das Universum und deckt das gesamte elektromagnetische Spektrum ab. Und in jedem Kubikzentimeter des Weltraums finden Sie Hunderte von Geisterpartikeln mit einer winzigen Masse, die als Neutrinos bekannt sind.
Zumindest konnten sie gefunden werden, wenn sie ziemlich oft mit normaler Materie interagierten, mit der wir umgehen können. Stattdessen können Neutrinos eine Lichtjahr dicke Bleiewand passieren und mit einem Partikel von 50/50 kollidieren. Einige Jahrzehnte nach ihrer Annahme im Jahr 1930 konnten wir sie nicht finden.
Experimenteller RA-6 -Kernreaktor, der die charakteristische Cherenkov-Strahlung zeigt, die durch Partikel verursacht wird, die sich schneller als Licht in Wasser bewegen. Neutrinos (oder genauer Antineutrinos), deren Existenzhypothese 1930 erstmals von Pauli aufgestellt wurde, wurden 1956 in einem ähnlichen Kernreaktor entdeckt.1956 entdeckten wir sie erstmals, indem wir Detektoren neben Kernreaktoren platzierten, nur wenige Meter von ihrem Erscheinen entfernt. In den 1960er Jahren bauten wir ausreichend große Detektoren - unterirdisch, geschützt vor anderen umweltschädlichen Partikeln -, um Neutrinos in der Sonne zu finden, die durch die Kollision kosmischer Strahlen mit der Atmosphäre erzeugt werden.
1987 erlaubte uns nur eine angenehme Überraschung in Form einer Supernova-Explosion in unserer Nähe, Neutrinos zu entdecken, die von dort aus flogen. Experimente,
die für einen völlig anderen Zweck arbeiteten , entdeckten Neutrinos aus
SN 1987A und leiteten die Ära der Astronomie mehrerer Boten ein. Soweit wir das beurteilen konnten, flogen Neutrinos mit Energien, die von der Lichtgeschwindigkeit nicht zu unterscheiden waren, durch das Universum.
Überreste einer Supernova von 1987a in der großen Magellanschen Wolke 165.000 Lichtjahre von uns entfernt. Die Tatsache, dass das Neutrino einige Stunden vor dem ersten Signal eintraf, sagte mehr über die Zeit aus, die Licht benötigt, um sich durch die Schichten des Sterns auszubreiten, als über die Geschwindigkeit der Neutrino-Bewegung, die nicht von der Lichtgeschwindigkeit zu unterscheiden war. Anscheinend bewegen sich Neutrinos, Licht und Schwerkraft mit der gleichen Geschwindigkeit.Für ungefähr 30 Jahre waren Neutrinos aus dieser Supernova die einzigen bestätigten Neutrinos, die von außerhalb des Sonnensystems kamen, ganz zu schweigen von den Grenzen der Galaxie. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir keine Neutrinos aus weiter entfernten Quellen akzeptiert haben. es bedeutete einfach, dass wir sie nicht zuverlässig mit einer bekannten Quelle am Himmel vergleichen konnten. Obwohl Neutrinos sehr schwach mit Materie reagieren, steigt die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion mit zunehmender Energie.
Und hier kommt
das IceCube Observatory ins Spiel.
Das IceCube Observatory, das erste Neutrino-Observatorium seiner Art, wurde entwickelt, um diese schwer fassbaren hochenergetischen Partikel unter dem Eis der Antarktis zu beobachten.Tief unter dem Eis des Südpols befindet sich im IceCube ein Kubikkilometer Feststoff, mit dessen Hilfe diese fast masselosen Neutrinos gefunden werden können. Wenn Neutrinos die Erde passieren, besteht immer die Möglichkeit, dass sie dort mit dem Teilchen reagieren. Die Wechselwirkung führt zum Auftreten eines Partikelregens, der eindeutige Spuren auf den Detektoren hinterlassen sollte.
Illustration, wie ein Neutrino mit einem Eismolekül reagierte, indem es ein Sekundärteilchen - ein Myon - emittierte, das sich mit relativistischer Geschwindigkeit im Eis bewegte und eine Spur blauen Lichts hinterließIn den sechs Betriebsjahren von IceCube haben Detektoren mehr als 80 hochenergetische Weltraumneutrinos mit Energien von mehr als 100 TeV nachgewiesen: Dies ist mehr als zehnmal höher als die höchsten Energiewerte, die Partikel am Large Hadron Collider erreichen. Einige von ihnen näherten sich sogar der PeV-Skala und erreichten Energien, die tausendmal höher waren als diejenigen, die zur Erzeugung selbst der schwersten der heute bekannten Grundpartikel benötigt wurden.
Trotz all dieser Neutrinos aus dem Weltraum, die auf der Erde ankamen, konnten wir sie bisher nicht mit einer Quelle am Himmel vergleichen, deren Standort wir sicher kennen würden. Die Entdeckung dieser Neutrinos ist eine erstaunliche Leistung, aber wir werden nicht verstehen können, welcher Prozess sie erzeugt, es sei denn, wir können sie in einem realen, beobachtbaren Objekt des Universums vergleichen - zum Beispiel einem, das wir auch in elektromagnetischer Strahlung beobachten können.
Wenn ein Neutrino mit Partikeln aus reinem antarktischem Eis interagiert, erzeugt es Sekundärpartikel, die beim Durchgang durch den IceCube eine Spur blauen Lichts hinterlassenTheoretiker hatten keine Probleme, Ideen zu entwickeln, zum Beispiel:
- Hypernovae , die hellste Art von Supernovae,
- Gammastrahlenblitze
- Fackeln des Schwarzen Lochs
- Quasare, das größte der aktiven Schwarzen Löcher des Universums.
Um dieses Problem zu lösen, waren jedoch Beweise erforderlich.
Ein Beispiel für ein hochenergetisches Neutrino, das auf einem IceCube nachgewiesen wurde: Ein 4,45 PeV-Neutrino kollidierte 2014 mit einem Detektor.
IceCube verfolgte und veröffentlichte Berichte nach jedem ultrahochenergetischen Neutrino, das sie entdeckten. Am 22. September 2017 wurde ein weiteres solches Phänomen beobachtet: IceCube-170922A. In dem Bericht kündigten Wissenschaftler Folgendes an:
Am 22. September 2017 entdeckte IceCube ein Ereignis mit sehr hoher Energie und hoher Wahrscheinlichkeit, eine astrophysikalische Quelle zu haben. Dieses Ereignis wurde von Extrem High Energy (EHE) erkannt. IceCube war im normalen Betriebsmodus. EHE-Ereignisse sind normalerweise mit einem Wechselwirkungspeak verbunden, der sich außerhalb des Detektors befindet und in dem ein Myon erzeugt wird, das das Volumen des Detektors mit einem hohen Grad an [Energie] kreuzt.
Kosmische Strahlen verursachen atmosphärische Schauer von Partikeln, die mit Protonen und Atomen der Atmosphäre kollidieren, und emittieren aufgrund der Cherenkov-Strahlung Licht. Wenn wir kosmische Strahlen am Himmel und Neutrinos beobachten, die die Erde erreichen, verwenden wir Zufälle, um die Quellen beider Phänomene aufzudecken.Dieses Unternehmen ist nicht nur für Neutrinoteilchen interessant, sondern auch für kosmische Strahlung im Allgemeinen. Trotz der Tatsache, dass wir in den letzten hundert Jahren Millionen hochenergetischer kosmischer Strahlen beobachtet haben, kennen wir die Quellen der meisten von ihnen nicht. Dies gilt auch für Protonen, Kerne und Neutrinos, die sowohl in ihrer Quelle als auch aus atmosphärischen Schauern entstehen.
Aus diesem Grund war es so interessant, dass IceCube neben der Warnung vor dem Phänomen auch
die Himmelskoordinaten herausgab, aus denen diese Neutrinos stammen sollten:
- RA: 77,43 Grad (-0,80 Grad / + 1,30 Grad 90% PSF-Einschluss) J2000
- Dez: 5,72 Grad (-0,40 Grad / + 0,70 Grad 90% PSF-Einschluss) J2000
Und sie führten Beobachter an, die versuchten, nachfolgende Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum zu diesem Objekt zu machen.
Künstlerisches Bild des aktiven Kerns der Galaxie. Ein supermassereiches Schwarzes Loch in der Mitte der Akkretionsscheibe sendet schmale Strahlen energiereicher Materie senkrecht zur Scheibe in den Raum. Blazar, 4 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, ist zur Quelle dieser kosmischen Strahlen und Neutrinos geworden.Es stellte sich heraus, dass es sich um einen Blazar handelte: ein supermassereiches Schwarzes Loch in einem aktiven Zustand, das sich von Materie ernährt und sie auf unglaubliche Geschwindigkeiten beschleunigt. Blazare sind die gleichen Quasare, aber mit einem wichtigen Unterschied. Quasare können in jede Richtung ausgerichtet werden, und bei Blazar ist einer der Jets immer direkt auf die Erde gerichtet. Sie werden Blazer genannt, vom Wort "Flamme", was "leuchten, hell brennen" bedeutet - sie leuchten direkt in unsere Richtung.
Dieses besondere Blazar ist als
TXS 0506 + 056 bekannt , und viele Observatorien, darunter das Fermi-Observatorium der NASA und das bodengestützte MAGIC-Teleskop auf den Kanarischen Inseln, erkannten sofort von ihm ausgehende Gammastrahlen.
Ungefähr 20 Observatorien auf der Erde und im Weltraum führten Beobachtungen nach Neutrino-Detektionsspuren unter Verwendung des vom IceCube-Detektor im vergangenen September bereitgestellten Standorts durch. Dies ermöglichte es zu bestimmen, was Wissenschaftler als Quelle für hochenergetische Neutrinos und damit für kosmische Strahlung betrachten. Zusätzlich zu Neutrinos wurden Beobachtungen über das gesamte elektromagnetische Spektrum im Gamma-, Röntgen-, optischen und Funkbereich durchgeführt.Bei der Ankunft des Neutrinos stellte sich außerdem heraus, dass sich der Blazar in einem Strahlungszustand befindet, der der aktivsten Partikelemission für solche Objekte entspricht. Da der Partikelausstoß seine Höhen und Tiefen hat, haben die IceCube-Forscher die Aufzeichnungen von zehn Jahren Beobachtungen vor dem Ausbruch des 22. September 2017 auf der Suche nach neutrino-bezogenen Ereignissen
, die von TXS 0506 + 056 stammen könnten, durchkämmt .
Sie entdeckten sofort, dass Neutrinos in mehreren Blitzen, die sich über viele Jahre erstreckten, von diesem Objekt kamen. Durch die Kombination der Beobachtung von Neutrinos mit Beobachtungen im elektromagnetischen Bereich konnten wir zuverlässig schließen, dass hochenergetische Neutrinos von Blazaren zu uns kommen und dass wir sie auch aus so großen Entfernungen erkennen können. TXS 0506 + 056
ist 4 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.
Blazar TXS 0506 + 056 ist die erste bestätigte Quelle für hochenergetische Neutrino- und kosmische Strahlen. Das Bild zeigt die Position des Blazars am Himmel an der linken Schulter des Sternbilds Orion.Eine große Menge an Informationen kann aus einer einzelnen Beobachtung eines Ereignisses mit mehreren "Boten" abgeleitet werden:
- Es wurde gezeigt, dass Blazare mindestens eine der Quellen kosmischer Strahlung sind.
- Für das Auftreten von Neutrinos sind zerfallende Pfingstrosen erforderlich, die aufgrund sich schnell bewegender Protonen auftreten.
- Der erste überzeugende Beweis für die Beschleunigung von Protonen durch Schwarze Löcher.
- TXS 0506 + 056 ist eine der hellsten Quellen des Universums.
- Die begleitenden Gammastrahlen legen nahe, dass kosmische Neutrinos und kosmische Strahlen zumindest von Zeit zu Zeit eine gemeinsame Quelle haben können.
Kosmische Strahlen, die von astrophysikalischen Quellen hoher Energien emittiert werden, können die Erdoberfläche erreichen. Wenn ein kosmischer Strahl mit einem Teilchen der Erdatmosphäre kollidiert, erzeugt er einen Schauer von Teilchen, die wir mithilfe von Anordnungen bodengestützter Sensoren erfassen können. Schließlich enthüllten wir ihre Hauptquelle.Laut Francis Halzen, Forschungsleiter am Neutrino-Observatorium von IceCube:
Interessanterweise war die Meinung in der astrophysikalischen Gemeinschaft weit verbreitet, dass Blazare kaum als Quellen kosmischer Strahlung angesehen werden können - und hier ist es ... Die Fähigkeit, mit einem Neutrino-Detektor wie IceCube Teleskope auf der ganzen Welt zu bauen und Entdeckungen bei vielen Wellenlängen zu machen, markiert einen neuen Meilenstein Was Wissenschaftler als "Multi-Messenger-Astronomie" bezeichnen.
Die Ära der Astronomie mehrerer Boten ist offiziell angebrochen, und jetzt haben wir drei völlig unabhängige, komplementäre Sichtweisen auf den Himmel: Licht, Neutrinos und Gravitationswellen. Wir haben erfahren, dass Blazare, die einst als unwahrscheinliche Kandidaten für die Erzeugung energiereicher Neutrinos und kosmischer Strahlen galten, tatsächlich beides erzeugen.
Die Idee des Künstlers vom entfernten Quasar 3C 279. Die von beiden Polen ausgehenden Jets sind ein weit verbreitetes Phänomen, aber es kommt sehr selten vor, dass ein solcher Jet direkt auf uns zeigt. Wenn dies geschieht, erhalten wir einen Blazar - wie jetzt bestätigt, eine Quelle für kosmische Strahlung und hochenergetische Neutrinos, die wir seit vielen Jahren beobachten.Zusammen mit dieser Entdeckung wird offiziell ein neues wissenschaftliches Gebiet eröffnet, die Astronomie hochenergetischer Neutrinos. Neutrinos sind nicht länger ein Nebenprodukt anderer Wechselwirkungen oder ein Weltraumwunder, das sich kaum über das Sonnensystem hinaus erstreckt. Jetzt können wir sie als grundlegende Sonde des Universums und der Gesetze der Physik selbst verwenden. Eines der Hauptziele der IceCube-Konstruktion war die Identifizierung der Quellen energiereicher Weltraumneutrinos. Mit der Bestätigung des Blazars TXS 0506 + 056 als Quelle sowohl dieser Neutrinos als auch der kosmischen Strahlung wurde endlich ein kosmischer Traum von vielen verwirklicht.