Auf der Suche nach Geisterteilchen in der Antarktis

Im antarktischen Eis fand man ein mysteriöses Geisterteilchen und vermutete, dass es ursprünglich aus einem Schwarzen Loch stammte. Nun kommen an der kosmischen Herkunft Zweifel auf.

Das IceCube-Observatorium ist eine Forschungsstation mitten in der Antarktis, deren Ziel es ist, sogenannte Neutrinos aufzuspüren. Neutrinos werden oft auch als „Geisterteilchen“ bezeichnet, weil ihre Masse fast null ist, sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und nicht wirklich mit normaler Materie interagieren. Für ein Neutrino ist das gesamte Universum also fast körperlos, eben geisterhaft.

Ganz selten kommt es dann aber doch zu Wechselwirkungen mit Materie und genau diesen Umstand macht sich IceCube zunutze. Wenn ein Neutrino mit dem antarktischen Eis wechselwirkt, kann es einen Lichtblitz erzeugen. Mit Sensoren, die tief unter dem Eis gelegen sind, werden diese Blitze detektiert. Über 5.000 solcher Sensoren sind im IceCube-Areal verbaut. So viele müssen es sein, da eine Neutrino-Kollision extrem selten ist. Hätte man nur einige dutzend Sensoren im Einsatz, müsste man viel zu lange warten bis es zu einem Treffer kommt. 

Das IceCube-Observatorium in der Antarktis – ©Martin Wolf, IceCube/NSF

Wenn die Ice-Cub-Wissenschaftler dann einen Treffer registrieren, können Sie anhand einiger Daten bestimmte Details über das Neutrino herausfinden. Durch die Ausbreitung und die Helligkeit des durch die Kollision entstandenen Lichtblitz können sie das Energieniveau des Neutrinos und die Richtung, aus der es kam, bestimmen. Und diese Richtung ist besonders interessant, da man Indizien erhält, wo und aus welchem Ereignis das Neutrino heraus entstanden sein könnte. Im Jahre 2019 kam es zu einer einigermaßen stimmigen Abfolge von Ereignissen. Am 09.04.2019 entdeckte man eine Kollision von einem Stern mit einem Schwarzen Loch in einer Galaxie in 750 Millionen Lichtjahren Entfernung. Astronomen tauften diesen Ereignis auf den Namen 2019dsg.

Was war hier genau passiert? Der Tod eines Sterns durch ein Schwarzes Loch ist kein sauberer und ordentlicher Prozess, der Stern ist also nicht verschwunden. Wenn ein Stern so nahe an ein Schwarzes Loch herankommt, dass er von dessen Schwerkraft erfasst wird, dehnt die gewaltige Gezeitenkraft des Schwarzen Lochs – also das Zusammenspiel aus Schwerkraft und Drehimpuls – den Stern zunächst aus, ein Prozess, den man auch als Spaghettisierung bezeichnet, und zieht ihn dann so stark an, dass er auseinandergerissen wird. Dies wird als Tidal Disruption Event (TDE) bezeichnet, auf Deutsch könnte man auch Gezeitenstörung sagen. Die Hälfte der Überreste des zerrissenen Sterns wirbelt in einer Scheibe um das Schwarze Loch herum und erzeugt immense Hitze und Licht, bevor sie unaufhaltsam über den Ereignishorizont in die endlose gravitative Tiefe gerissen wird. Die andere Hälfte der Überreste wird in den Weltraum hinaus geschleudert. Beim Ereignis AT2019dsg durchlief ein supermassives Schwarzes Loch mit der 30 millionenfachen Masse der Sonne eine Tidal Disruption Event.

black hole
Wenn Schwarze Löcher und Sterne kollidieren werden gewaltige Energiemengen freigesetzt.

Bei einem solch heftigen Ereignis könnten potentiell Neutrinos fort geschleudert werden. Und tatsächlich: knapp 6 Monate später, am 01.10.2019, wurde am IceCube-Observatorium in der Antarktis ein Neutrino detektiert. Die Forscher gaben diesem Neutrino die Bezeichnung: IC191001A. Die Zusammenhänge schienen perfekt zu passen. Das detektierte Neutrino im Oktober passte optimal zu dem großen gravitativen Happen, den sich ein Schwarzes Loch in 750 Millionen Lichtjahren Entfernung einverleibt hatte und den man im April beobachtet hatte.

Doch einige Ungereimtheiten blieben. Die Astronomin Yvette Cendes vom Center for Astrophysics der Universität Harvard stellte folgende Frage:

“Wenn dieses Neutrino irgendwie von AT2019dsg kam, stellt sich die Frage: Warum haben wir noch nie Neutrinos entdeckt, die mit Sternenexplosionen in dieser Entfernung oder noch näher zusammenhängen?”

– Yvette Cendes

Wenn das Tidal Disruption Event wirklich der Ursprung des Geisterteilchen gewesen wäre, dann müssten viel öfter Neutrinos detektiert werden. Also hat ein Forschungsteam um Yvette Cendes das weit entfernte Ereignis noch mal genau unter die Lupe genommen. 

Sie nutzten das ALMA-Radioteleskop-Observatorium in Chile, um AT2019dsg über 500 Tage lang im Radiowellenbereich zu beobachten. Sie stellten fest, dass das Tidal Disruption Event im Radiowellenbereich etwa 200 Tage lang immer heller wurde, dann erreichte es seinen Höhepunkt und begann langsam schwächer zu werden. Sie berechneten auch die Gesamtenergiemenge des Ereignis: Sie entsprach in etwa der Energie, die die Sonne in 30 Millionen Jahren ausstrahlt. Das klingt viel, doch ist in Wahrheit ziemlich normal für ein Tidal Disruption Event. Um ein so energiereiches Neutrino wie IC191001A  zu erzeugen, müsste die Energie des Tidal Disruption Event etwa 1000 Mal höher sein. Zusammengefasst: Die Schwarze-Loch-Explosion, die man eigentlich für den Ursprung des Neutrinos gehalten hatte, war 1000 mal zu schwach um die wahre Ursache zu sein. 

Das wahre Wesen der Neutrinos bleibt geisterhaft…

Woher stammt das detektierte Neutrino dann? Die Antwort: Keiner weiß es. Nachdem die Geisterteilchen-Geschichte schon als gelöst galt, ist sie nun wieder so rätselhaft wie ganz am Anfang. Eine mögliche Erklärung könnte ein anderes Tidal Disruption Event sein, bei dem ein massiveres Schwarzes Loch einen noch größeren Stern auseinandergerissen hat, das aber noch viel weiter entfernt ist und den wachsamen Astronomen daher entgangen ist. Bis die wahre Ursache gefunden wurde, bleibt es aber dabei: Der Ursprung des Geisterteilchens bleibt geisterhaft!

Noch mehr Informationen zu der Neutrino-Suche in der Antarktis erhaltet Ihr in diesem Video von Astro-Comics TV:

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