Geisterteilchen enthüllt kosmischen Beschleuniger

Forschungsteam findet erstes Neutrino von einem zerrissenen Stern

Ein geisterhaftes Elementarteilchen aus einem zerrissenen Stern hat ein internationales Forschungsteam auf die Spur eines gigantischen kosmischen Teilchenbeschleunigers gebracht: Das sogenannte Neutrino ließ sich zu einem supermassereichen Schwarzen Loch in einer fernen Galaxie zurückverfolgen, dem der Stern zu nahe gekommen und dann von dessen kolossaler Schwerkraft zerstört worden war. Es handelt sich um das erste Teilchen, das mit einer derartigen Gezeitenkatastrophe („Tidal Disruption Event“) verknüpft werden konnte.

Die Beobachtung belegt, dass diese wenig verstandenen kosmischen Katastrophen energiereiche Teilchenbeschleuniger antreiben könnten, wie das Team um DESY-Forscher Robert Stein im Fachblatt „Nature Astronomy“ berichtet. Die Arbeit zeigt auch das Potenzial der sogenannten Multi-Messenger-Astronomie, also der Beobachtung des Kosmos mit Hilfe verschiedener Boten wie Photonen (Lichtteilchen) und Neutrinos.

Das Neutrino hatte seine Reise vor rund 700 Millionen Jahren begonnen, in etwa zur der Zeit, als die ersten Tiere sich auf der Erde entwickelten. So lang dauerte der Flug von der namenlosen Galaxie mit der Katalognummer 2MASX J20570298+1412165 im Sternbild Delphin. Die Masse des gigantischen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie schätzen die Forscherinnen und Forscher auf die von rund 30 Millionen Sonnen. „Die Schwerkraft wird stärker und stärker, je näher man einem Objekt kommt. Das bedeutet auch, dass das Schwarze Loch an der etwas näheren Vorderseite des Sterns stärker gezogen hat als an seiner etwas weiter entfernten Rückseite“, erläutert Stein.

„Die Differenz, die den Stern gedehnt hat, heißt Gezeitenkraft, und je näher der Stern dem Schwarzen Loch kommt, desto extremer wird er in die Länge gezogen. Irgendwann reißt es den Stern auseinander, dann haben wir eine Gezeitenkatastrophe. Es ist im Prinzip derselbe Prozess, der auf der Erde für Ebbe und Flut sorgt, aber zum Glück für uns zieht der Mond nicht stark genug an der Erde, um sie auseinanderzureißen.“

Rund die Hälfte der Sternmaterie in der fernen Galaxie wurde nach der Gezeitenkatastrophe direkt ins All geschleudert, der Rest sammelte sich auf einer wirbelnden Scheibe um das Schwarze Loch. Diese sogenannte Akkretionsscheibe ähnelt dem Strudel über dem Abfluss einer Badewanne. Bevor die Materie daraus auf Nimmerwiedersehen im Schwarzen Loch verschwindet, wird sie heißer und heißer und leuchtet schließlich gleißend hell auf. Dieses Leuchten hat das Observatorium Zwicky Transient Facility (ZTF) auf dem kalifornischen Mount Palomar am 9. April 2019 zuerst entdeckt.

Ein halbes Jahr später, am 1. Oktober 2019, registrierte das unterirdische Neutrinoteleskop IceCube im ewigen Eis des Südpols ein extrem energiereiches Neutrino aus der Richtung der Gezeitenkatastrophe. „Das Teilchen war in das Antarktische Eis mit einer bemerkenswerten Energie von mehr als 100 Tera-Elektronenvolt gerauscht“, berichtet DESY-Ko-Autorin Anna Franckowiak, die heute als Professorin an der Universität Bochum arbeitet. „Zum Vergleich: Das ist mindestens die zehnfache Teilchenenergie, die der größte Teilchenbeschleuniger der Erde erreichen kann, der Large Hadron Collider am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf.“

Extreme Leichtgewichte

Die extrem leichtgewichtigen Neutrinos wechselwirken fast nie und fliegen mühelos durch Wände und sogar ganze Planeten oder Sterne, ohne eine Spur zu hinterlassen. Daher werden sie auch als Geisterteilchen bezeichnet, und bereits der Nachweis eines einzigen energiereichen Neutrinos ist eine bemerkenswerte Beobachtung. Die Auswertung zeigt dabei lediglich eine Wahrscheinlichkeit von eins zu 500, dass dieses spezielle Neutrino nur zufällig aus der Richtung der Gezeitenkatastrophe gekommen ist. Die Beobachtung rief weitere Teams auf den Plan, die das Ereignis mit zahlreichen Instrumenten quer durch das elektromagnetische Spektrum untersuchten, von Radiowellen bis Röntgenstrahlen.

„Es ist das erste Neutrino von einer Gezeitenkatastrophe, und es liefert uns wertvolle Hinweise“, erläutert Stein. „Gezeitenkatastrophen sind bislang wenig verstanden. Der Neutrino-Fund weist auf die Existenz einer zentralen, mächtigen Maschinerie nahe der Akkretionsscheibe, die schnelle Teilchen ausspuckt. Und die kombinierte Analyse der Daten der Radio-, optischen und Ultraviolett-Teleskope belegt zusätzlich, dass Gezeitenkatastrophen als gigantische Teilchenbeschleuniger funktionieren können.“

Die Beobachtungen lassen sich dabei am besten mit einem Modell erklären, wie es der Leiter der theoretischen Astroteilchenphysik bei DESY, Walter Winter, und seine Kollegin Cecilia Lunardini von der Arizona State University in einer separaten Arbeit in derselben Ausgabe von „Nature Astronomy“ präsentieren. Dabei bilden sich energiereiche Ströme von Materie, die nach oben und unten aus dem System schießen. „Das Neutrino ist relativ spät aufgetaucht, ein halbes Jahr nachdem das Sternenmahl des Schwarzen Lochs begonnen hatte“, erläutert Winter. „Unser Modell erklärt diesen zeitlichen Ablauf auf natürliche Weise.“

Der kosmische Beschleuniger spuckt demnach verschiedene Arten Teilchen aus, abgesehen von Neutrinos und Photonen sind diese jedoch alle elektrisch geladen und werden daher von intergalaktischen Magnetfeldern auf ihrer Reise durchs All abgelenkt. Nur die elektrisch neutralen Neutrinos können wie das Licht (Photonen) auf einer geraden Linie von der Quelle zur Erde reisen und lassen sich zurückverfolgen. Sie sind damit wertvolle Boten aus derartigen Systemen.

„Die kombinierten Beobachtungen demonstrieren die Stärke der Multi-Messenger-Astronomie“, betont Ko-Autor Marek Kowalski, Leiter der Neutrino-Astronomie bei DESY und Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin. „Ohne den Nachweis der Gezeitenkatastrophe wäre das Neutrino nur eines von vielen, und ohne das Neutrino wäre die Beobachtung der Gezeitenkatastrophe nur eine von vielen. Nur durch die Kombination von beidem konnten wir den kosmischen Teilchenbeschleuniger aufspüren und etwas über die Prozesse in seinem Inneren lernen.“ Die Verbindung zwischen dem energiereichen Neutrino und der Gezeitenkatastrophe war durch ein Computerprogramm namens AMPEL aufgespürt worden, das bei DESY speziell für den Abgleich von ZTF- und IceCube-Beobachtungen entwickelt worden war.

Spitze des Eisbergs?

Die Zwicky Transient Facility ist darauf ausgelegt, Hunderttausende Sterne und Galaxien in einer einzigen Aufnahme zu beobachten und den Nachthimmel besonders schnell zu durchsuchen. Dank seines großen Gesichtsfelds kann das 1,3-Meter-Samuel-Oschin-Teleskops der ZTF den kompletten Nachthimmel in nur drei Nächten komplett beobachten und so deutlich mehr plötzlich aufleuchtende oder in der Helligkeit schwankende Objekte aufspüren als alle optischen Durchmusterungen zuvor. „Seit Beginn der Untersuchungen im Jahr 2018 haben wir mehr als 30 Gezeitenkatastrophen aufgespürt und damit die Zahl der bekannten derartigen Phänomene mehr als verdoppelt“, sagt Ko-Autor Sjoert van Velzen vom Observatorium Leiden in den Niederlanden. „Als wir feststellten, dass die zweithellste Gezeitenkatastrophe, die wir beobachtet haben, auch die Quelle eines von IceCube registrierten energiereichen Neutrinos ist, waren wir begeistert!“

„Wir sehen hier vielleicht erst die Spitze des Eisbergs, künftig erwarten wir viele weitere solcher Verbindungen zwischen energiereichen Neutrinos und ihren Quellen“, betont IceCube-Chefwissenschaftler Francis Halzen, Professor an der Universität von Wisconsin-Madison, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Es wird gerade eine neue Generation von Teleskopen gebaut, die eine höhere Empfindlichkeit für Gezeitenkatastrophen und andere vermutliche Neutrinoquellen bieten. Noch wichtiger ist der geplante Ausbau des IceCube-Neutrinodetektors, wodurch sich die Zahl der beobachteten kosmischen Neutrinos mindestens verzehnfachen dürfte.“ Die Gezeitenkatastrophe ist erst die zweite Quelle, die einem kosmischen Neutrino zugeordnet werden konnte. 2018 hatte eine Multi-Messenger-Beobachtungskampagne die Aktive Galaxie mit der Katalognummer TXS 0506+056 als Quelle eines energiereichen Neutrinos identifiziert, das von IceCube 2017 aufgezeichnet worden war.

Das IceCube-Neutrinoobservatorium ist eine Einrichtung der Nationalen US-Forschungsstiftung NSF an der Amundsen-Scott-Südpolstation des US-Antarktisprogramms. Außer IceCube und der Zwicky Transient Facility haben die Instrumente Spectral Energy Distribution Machine (SEDM), Palomar 200-inch Hale Telescope (P200), Liverpool Telescope (LT), NASA’s Neil Gehrels Swift Observatory, Lowell Discovery Telescope, Lick Observatory Shane Telescope, Keck Telescope, ESA’s X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton), Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), AMI Large Array (AMI-LA), MeerKAT und NASA’s Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) Beobachtungsdaten zu der Studie beigetragen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Robert Stein
DESY und Humboldt-Universität
robert.stein@desy.de

Dr. Walter Winter
DESY
walter.winter@desy.de

Prof. Anna Franckowiak
DESY und Universität Bochum
anna.franckowiak@desy.de

Prof. Marek Kowalski
DESY und Humboldt-Universität
Tel. 033762 7-7187 oder
030 2093-7635
marek.kowalski@desy.de

Originalpublikation:

A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino; Robert Stein, Sjoert van Velzen, Marek Kowalski, et al.; Nature Astronomy, 2021, DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8

A concordance scenario for the observed neutrino from a tidal discruption event; Walter Winter and Cecilia Lunardini; Nature Astronomy, 2021, DOI: 10.1038/s41550-021-01305-3

http://www.desy.de/