Forschung

Ein kosmisches Neutrino

04.10.2019 - Mit IceCube aufgespürtes Teilchen stammt aus dem Zentrum einer weit entfernten Galaxie.

Das Neutrino-Ereignis IceCube 170922A, entdeckt mit dem IceCube-Neutrino­observatorium am Südpol, stammt mit hoher Wahr­schein­lich­keit aus der 3,8 Milliarden Licht­jahren entfernten aktiven Galaxie TXS 0506+056. Da TXS 0506+056 nur eine von zahl­reichen aktiven Galaxien ist, war es bislang rätsel­haft, warum bislang nur diese Galaxie ein von der Erde aus nach­weis­bares Neutrino erzeugt hat. Ein inter­nationales Forscher­team unter der Leitung von Silke Britzen vom MPI für Radio­astronomie in Bonn hat hoch­auf­ge­löste Radio­beobach­tungen von TXS 0506+56 aus den Jahren 2009 bis 2018, also bevor und nach dem Neutrino-Ereignis, unter­sucht. Das Team erklärt die verstärkte Neutrino­aktivität während eines früheren Neutrino­ausbruchs und das mit IceCube nach­ge­wiesene Neutrino durch einen kosmischen Zusammen­stoß innerhalb der Galaxie. Das Aufein­ander­treffen von Materie im Wechsel­wirkungs­bereich des Jets in der Umgebung eines super­masse­reichen schwarzen Lochs könnte demnach zur Erzeugung der Neutrinos geführt haben.

Aktive galaktische Kerne, kurz AGN,  sind die energie­reichsten Objekte in unserem Universum. Angetrieben durch super­masse­reiche schwarze Löcher wird Materie auf die Zentral­quelle akkretiert und Teilchen­strahlen werden in den inter­galak­tischen Raum hinaus­ge­schleudert. BL-Lac-Objekte bilden eine spezielle Klasse solcher AGN, bei denen der Jet zufällig in Richtung Erde aus­ge­richtet ist und die beobachtete Strahlung dominiert. Das Neutrino-Ereignis IceCube-170922A hat allem Anschein nach seinen Ursprung in dem BL-Lac-Objekt TXS 0506+056. Unter­suchungen der IceCube Collabo­ration von Archiv­daten hatten zuvor Hinweise auf erhöhte Neutrino-Aktivität aus derselben Galaxie für die Zeit zwischen September 2014 und März 2015 ergeben.

Andere BL-Lac-Objekte zeigen Eigen­schaften ganz ähnlich zu denen von TXS 0506+056. „Es war schon etwas rätselhaft, warum gerade diese Galaxie als Quelle für ein Neutrino-Ereignis identi­fiziert werden konnte“, erklärt Britzen. „Wir wollten heraus­finden, was TXS 0506+056 so speziell macht, um den Entstehungs­prozess für Neutrinos zu verstehen und den Ort der Entstehung genauer zu lokalisieren. Dazu haben wir hoch­auf­ge­löste Radio­bilder des Jets in dieser Quelle unter­sucht.“

Zu ihrer großen Über­raschung fanden die Forscher eine nicht erwartete Wechsel­wirkung im Jet-Material von TXS 0506+056. Während das Plasma im Jet normaler­weise gleich­förmig in einer Art Strömungs­kanal fließt, scheint die Situation in dieser Galaxie anders zu sein. Das Team geht davon aus, dass sowohl die verstärkte Neutrino­aktivität während eines Neutrino­ausbruchs in den Jahren 2014 und 2015 sowie das Einzel­neutrino IceCube-170922A durch einen kosmischen Zusammen­stoß inner­halb der Galaxie TXS 0506+056 erklärt werden können. Diese kosmische Kollision kann zurück­ge­führt werden auf neu erzeugtes Jet­material, das auf einen älteren Jet auftrifft. Die stark gekrümmte Struktur des Jets in den Beobach­tungen ist ein Beleg für eine solche Annahme. Eine weitere mögliche Erklärung ist die Kollision zweier Jets in der gleichen Quelle. In beiden Szenarien ist es die Kollision von Jet­material, die das Neutrino erzeugt.

Im Lauf der kosmischen dürften Kollisionen von Galaxien recht häufig auftreten. Wenn zwei mit­ein­ander kolli­dierende Galaxien beide ein super­masse­reiches schwarzes Loch im Zentrum aufweisen, erzeugt die Kollision dieser Galaxien ein Paar von schwarzen Löchern im Zentrum, das sich in immer geringer werdendem Abstand umkreist. Aktive galaktische Kerne mit binären schwarzen Löchern in einem geringen Abstand von nur wenigen Licht­jahren werden bereits seit langer Zeit gesucht. Sie dürften jedoch sehr selten und auch schwer zu identi­fi­zieren sein. Zusätz­lich zum Nachweis der Kollision von Jet­materie haben die Forscher auch Anzeichen für eine Präzession des zentralen Jets in TXS 0506+056 gefunden. Diese Präzession kann entweder durch ein binäres super­masse­reiches schwarzes Loch erklärt werden oder aber durch den Lense-Thirring-Präzessions­effekt. Dieser könnte wiederum durch ein zweites super­masse­reiches schwarzes Loch in etwas größerem Abstand im Zentrum der Galaxie aus­ge­löst worden sein. Beide Szenarien führen zu einer Änderung in der Ausrichtung des Jets, wie die Forscher sie beobachtet haben.

„Je näher wir an den Ursprung der Jets heran­kommen, desto kompli­zierter werden innere Struktur und Dynamik dieser Jets“, sagt Team-Mitglied Christian Fendt vom MPI für Astronomie. „Die binären schwarzen Löcher erzeugen eine komplexe Struktur in dem aus­ge­worfenen Material, welches von den kosmo­lo­gischen Modellen der Galaxien­ent­stehung bei der Verschmelzung von Galaxien erwartet wird.“ Britzen betont das wissen­schaft­liche Potential des Forschungs­ergebnisses: „Es ist phantastisch, dass wir die Erzeugung von Neutrinos durch detail­lierte Analyse von Jets in Galaxien unter­suchen können. Und es wäre wirklich ein Durch­bruch, wenn mit unserer Veröffent­lichung ein weiterer Kandidat für ein binäres schwarzes Loch mit zwei Jets bestätigt werden könnte.“ Es scheint zum ersten Mal gelungen zu sein, die Kollision zweier Jets im Zentrum einer Galaxie auf Skalen von nur wenigen Licht­jahren zu bestätigen und die Ent­deckung eines kosmischen Neutrinos auf eine Jet­kollision zurück­führen zu können. Während TXS 0506+056 vielleicht nicht repräsen­tativ für die Klasse von BL-Lac-Objekten ist, könnte diese Quelle aber doch maß­geblich sein für die wieder­holte Wechsel­wirkung des Materials zweier Jets und die dadurch hervor­ge­rufene Erzeugung von Neutrinos.

MPIfR / RK

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