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Lehrstuhl für Astronomie

AG Mannheim · AG Kadler· AG Dröge

Zeitenwende in der Astronomie

„Tatort Südpol: verdächtiger Blazar im Fall ‚Neutrino‘ ermittelt“: So lautete die Überschrift einer Pressemitteilung, die vor Kurzem auf der Homepage der Universität Würzburg zu lesen war. Warum es sich dabei aus Sicht der Wissenschaft um einen großen Erfolg handelt, erklärt der verantwortliche Astrophysiker, Professor Matthias Kadler, im Interview.
Zeitenwende in der Astronomie

Credit: ESA/NASA/AVO/Paolo Padovani



Herr Professor Kadler, ein Neutrino reist zehn Milliarden Jahre durch den Weltraum, trifft auf die Erde, und Sie und ihr Team können mit vergleichsweise hoher Wahrscheinlichkeit seinen Herkunftsort benennen. Warum ist das aus wissenschaftlicher Sicht ein so bedeutender Erfolg, dass sogar Nature Physics darüber berichtet?
"Unter anderem weil wir nun erstmals in der Geschichte der Menschheit Astronomie mit einer anderen Quelle als Licht betreiben können – nämlich mit Neutrinos. Astronomie ist ja eine der ältesten Wissenschaften überhaupt. Aber immer haben die Menschen nur das Licht der Himmelskörper beobachtet. Zuerst mit bloßem Auge, dann – seit rund 400 Jahren – mit einem Teleskop. Und auch wenn man heute Radiowellen, Röntgen- und Gammastrahlen misst, handelt es sich dabei immer um elektromagnetische Wellen, im Prinzip also um Licht."


Und ihnen ist das jetzt mit einem Neutrino – also einem, wenn auch sehr kleinen, Teilchen gelungen. 
"Genau. Man weiß zwar seit etwa 100 Jahren, dass es eine kosmische Strahlung in Form von hochenergetischen Teilchen gibt. Das war damals allerdings ein ziemlicher Schock, weil man erkennen musste, dass das Universum von energiereichen Teilchen erfüllt ist, über deren Ursprung man kaum etwas sagen konnte."

Sie können jetzt sagen, dass das Neutrino „BigBird“, das im Jahr 2012 am Südpol registriert wurde, mit hoher Wahrscheinlichkeit aus einer weit entfernten Galaxie mit dem Namen PKS B1424-418 stammt. Warum ist das für Astrophysiker so von Bedeutung?
"Wenn wir jetzt wissen, dass dieses Neutrino aus einem Blazar stammt, können wir schlussfolgern, dass diese Objekte auch in der Lage sind, andere Formen kosmischer Strahlung zu produzieren. Außerdem versucht man schon seit Jahrzehnten, die hochenergetische Gammastrahlung, die von diesen Blazaren ausgeht, zu verstehen. Es gibt im Wesentlichen zwei unterschiedliche Erklärungsansätze – das leptonische und das hadronische Modell- die mit früheren Beobachtungsdaten nicht zu unterscheiden waren. Aber nur das hadronische Modell sagt für Blazare auch automatisch starke Neutrinoproduktion voraus. Unsere Arbeit ist deshalb von Bedeutung im Zusammenhang mit gleich zwei Jahrzehnte alten Rätseln."

An den Fundamenten des Universums oder irgendwelcher Theorien rütteln Sie damit aber nicht – oder? 
"Nein, im Gegenteil. Im Prinzip bestätigen wir damit sogar grundlegende Prinzipien der Relativitätstheorie. Diese besagen, verkürzt dargestellt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum absolut ist und auch für Teilchen mit extrem hoher Energie und extrem geringer Masse gilt und unter keinen Bedingungen irgendwo im Universum verschieden ist. Das wird von einigen Wissenschaftlern bezweifelt; sie sagen, dass diese Theorie ab einer bestimmten Energie-Grenze auf großen kosmologischen Skalen nicht mehr gelten solle. Wir konnten jedoch zeigen, dass das Neutrino praktisch genauso schnell unterwegs war wie das Licht des Blazars, woraus man die bisher besten Tests dieser Prinzipien der Relativitätstheorie ableiten kann."

Im Internet ist zu lesen, dass jede Sekunde rund 50 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter auf die Erde treffen. Da kann es doch eigentlich nicht so schwer sein, geeignete Exemplare für die Suche nach dem Herkunftsort zu finden. 
"Tatsächlich gleicht es aber einer Lotterie. Man benötigt dafür eine unsagbar helle Quelle, die über einen langen Zeitraum sehr viele Neutrinos produziert, damit man auf der Erde eines davon detektieren kann. Der überwiegende Teil dieser Neutrinos durchquert nämlich die Erde – und übrigens auch Ihren Körper – ungehindert, ohne dass sie mit der Umgebung wechselwirken. Man braucht für ihren Nachweis deshalb auch sehr große Detektoren an Orten, an denen kein Licht existiert aber sich trotzdem ausbreiten kann – beispielsweise wie in unserem Fall am Südpol unter einer mehrere Kilometer dicken Eisschicht."

Und wenn dann doch mal eines nachgewiesen wurde, machen Sie sich auf die Suche nach seinem Ursprung. Wie darf man sich das konkret vorstellen? 
"Wir werten die Daten verschiedener Teleskope aus und ziehen dafür unterschiedliche Arten Licht heran. Aus diesem Grund sprechen wir auch von Multiwellenlängen-Astronomie. Es geht darum, eine Quelle zu finden, die in der passenden Richtung liegt und im passenden Zeitraum die notwendige Energie freisetzen konnte, um das betreffende Teilchen auf die Reise zu schicken. Dazu benötigt man viele Beobachter, von denen jeder sein eigenes Puzzleteil beiträgt, bis am Ende ein fertiges Bild entsteht. Ein schönes Beispiel für diese Art der Zusammenarbeit ist unsere aktuelle Publikation in Nature Physics. 35 Autoren waren daran beteiligt, davon übrigens 13 Master-Studierende, Doktorandinnen und Doktoranden unseres neuen gemeinsamen Forschungsclusters der Universitäten Würzburg und Erlangen-Nürnberg."

In der Pressemitteilung heißt es, dass sich in Zukunft ein Neutrino-Fenster ins Universum öffnen wird. Was ist damit gemeint? 
"Nun, zunächst einmal werden derzeit vom IceCube Neutrinoteleskop am Südpol mehr Daten gesammelt und die Analysemethoden verfeinert, was uns bald viele hochenergetische Neutrinos mit verbesserter Präzision geben wird. Aktuell ist mit KM3NeT auch ein Tiefsee-Neutrino-Teleskop im Mittelmeer im Bau, an dem wir in Würzburg übrigens auch beteiligt sind. Mehrere tausend optische Sensoren werden in einer Tiefe von 3500 Metern dem schwachen Licht nachspüren, das entsteht, wenn Neutrinos mit Atomen und Molekülen kollidieren. Es wird also bald möglich sein, die Herkunft der kosmischen Neutrinos mit einer höheren Präzision zu bestimmen."

Was wobei hilft? 
"Letztlich bei der Suche nach Antworten auf die Frage: 'Wie funktioniert das Universum?'“

 

Gunnar Bartsch Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Julius-Maximilians-Universität Würzburg