BLACK HOLES

Blazare, die gasfressenden schwarzen Löcher im Zentrum von Galaxien, könnten die meisten der winzigen Teilchen produzieren, die als Neutrinos bekannt sind und die wir auf der Erde einfangen.

Als der Large Hadron Collider zum ersten Mal eingeschaltet wurde, gab es einige, die befürchteten, er könnte schwarze Löcher bilden, die die Erde verschlingen würden. Amüsant, wenn man bedenkt, dass das Universum subatomare Teilchen mit millionenfach mehr Energie erzeugen kann, als Menschen und ihre Maschinen dazu in der Lage sind.

Aber was im Universum ist in der Lage, diese winzigen Teilchen, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden, mit solch unglaublicher Energie zu erfüllen? Es ist unmöglich zu sagen, weil die meisten dieser Teilchen negativ oder positiv geladen sind, was bedeutet, dass sie der Krümmung verschlungener Magnetfeldlinien im Raum zwischen Sternen gehorchen müssen.

Es gibt jedoch Hoffnung: Die gleichen Prozesse, die kosmische Strahlung erzeugen, erzeugen auch noch winzigere subatomare Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind. „Astrophysikalische Neutrinos entstehen ausschließlich in Prozessen, bei denen kosmische Strahlen beschleunigt werden“, erklärt Sara Buson (Julius-Maximilians-Universität, Deutschland). Und da Neutrinos neutral sind, ignorieren sie Magnetfelder und reisen direkt zur Erde. Verfolge die Wege der Neutrinos und du findest ihre Quelle.

Zumindest ist das die Idee im Prinzip, aber in der Praxis war es nicht so einfach. Das riesige IceCube-Neutrino-Observatorium, das 1,35 Kilometer (0,8 Meilen) tief in das klare blaue Eis des Südpols eingesetzt ist, entdeckt nur etwa 10 Neutrinos pro Jahr, die genug Durchschlagskraft haben, um anzuzeigen, dass sie direkt aus dem Weltraum kommen. (Kosmische Strahlung, die auf die Erdatmosphäre einwirkt, kann Neutrinos mit niedrigerer Energie erzeugen, die zwar an sich interessant sind, aber nicht direkt mit kosmischen Quellen in Verbindung gebracht werden können.)


Neutrino-Fänger

Der oberirdische Teil des IceCube-ObservatoriumsSven Lidstrom, IceCube / NSF
IceCube-Sensor wird abgesenktDas IceCube-Observatorium besteht aus 86 Sensorsträngen, die vertikal etwa 17 Meter voneinander entfernt sind, wobei jeder Strang tief unter dem Eis vergraben ist. Mark Krasberg, IceCube / NSF

Reisen Sie in der Konzeption dieses Künstlers durch die unter dem Eis verborgenen Sensorketten. Die Sensoren nehmen die schwachen Lichtspuren auf, die bei den seltenen Wechselwirkungen zwischen subatomaren Partikeln und Eismolekülen entstehen.WIPAC / MPM


Neutrino-Macher

Die Korrelation hochenergetischer Neutrinos mit astrophysikalischen Quellen ist schwierig, wenn es so wenige von ihnen und Millionen möglicher Quellen gibt. Aber jetzt sagt Busons Team, dass sie genau das getan haben, indem sie die astrophysikalischen Neutrinos, die IceCube entdeckt hat, an Blazare in den Zentren von Galaxien binden. In solchen Objekten schluckt ein supermassereiches Schwarzes Loch Gas, nur um einen Teil davon in einem Jet wieder auszuspucken, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegt.

Das Team verglich die Verteilung von Neutrinos am Himmel mit der Verteilung einer Liste von Blazaren, die in einem Katalog namens BZCat zusammengestellt wurden, und stellte fest, dass sie überraschend gut übereinstimmten: 10 von 19 Neutrino-„Hotspots“ am Südhimmel stimmen mit bekannten überein Blazare. Die Chance, dass diese Assoziation ein Zufall ist, liegt nur bei eins zu einer Million, sagt Buson.

Blazar (Kunst)Das Konzept eines Künstlers zeigt einen Blazar: ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, das Gas verschlingt und dann einen Teil davon in einem relativistischen Strahl wieder ausstößt, der auf die Erde gerichtet ist. NASA/JPL-Caltech

Die Ergebnisse, die im Astrophysical Journal erscheinen, erweitern frühere Studien, die nur eine schwache Verbindung zwischen Neutrinos und Blazaren gefunden hatten. Aber diese Studien hatten sich auf Blazare konzentriert, die Gammastrahlen aussenden, hochenergetische Photonen, die aus den Jets des Schwarzen Lochs stammen müssten. Schockwellen im Plasmastrom würden natürliche Teilchenbeschleuniger bilden, die alles übertreffen, was Menschen bisher gebaut haben.

Da Buson und Kollegen in diesem Fall Blazare untersuchten, die nicht viele Gammastrahlen aussenden, zeigten sie jedoch, dass die Neutrinos nicht von Stößen in den Jets selbst stammen, sondern von der Gasscheibe, die in das Schwarze Loch wirbelt oder vielleicht von Gas über dieser Scheibe, die gerade in den Jet startet.

„Natürlich produzieren Blazare Gammastrahlen, aber nicht zu dem Zeitpunkt, zu dem Neutrinos produziert werden“, sagt der leitende Forscher des IceCube-Observatoriums Francis Halzen (University of Wisconsin, Madison), der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war. „Gammastrahlen werden von Elektronen im Jet erzeugt, die . . . enthält nicht genügend Zielmaterial, um Neutrinos zu produzieren.“

„Das Papier bestätigt dieses Bild mit 9 der 10 Quellen, die Fermi nicht in Gammastrahlen gesehen hat“, fügt Halzen hinzu.

Das Ergebnis grenzt somit nicht nur die Quelle der hochenergetischen Neutrinos von IceCube ein, sondern bestätigt auch, dass der für ihre Erzeugung notwendige Mechanismus in der Umgebung des Schwarzen Lochs selbst liegt.


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