Galaktische Geisterteilchen

Geradlinige Boten

Im Gegensatz zu Photonen wechselwirken Neutrinos auf ihrem Weg zur Erde fast nicht mit der interstellaren Materie. Daher werden sie weder aufgehalten noch abgelenkt und verraten ihre Herkunftsrichtung direkt. Das gäbe leicht Aufschluss über ihre Quellen – wenn die Richtung genau genug gemessen werden könnte. Dazu ist der IceCube-Detektor allerdings nur in Ausnahmefällen in der Lage. Typischerweise beträgt die Richtungsunsicherheit rund fünf Grad bei einem Teraelektronenvolt.

Zudem ist die Suche nach Neutrinos aus dem All außerordentlich aufwendig, weil auf jedes davon rund 100 Millionen Myonen sowie viele weitere Neutrinos kommen, die durch die Wechselwirkung der Kosmischen Strahlung mit Atomen der Erdatmosphäre entstehen. Dieses gewaltige Hintergrundrauschen muss bei der Datenauswertung also zunächst genau charakterisiert und eliminiert werden.

Dabei hilft neuerdings Künstliche Intelligenz, das heißt maschinelles Lernen auf der Basis artifizieller neuronaler Netze mit mathematischen Graphen. Gut trainiert lässt sich so das Hintergrundrauschen um etwa einen Faktor 1.000 verringern; außerdem wird die Genauigkeit der rekonstruierten Neutrino-Flugrichtungen stark verbessert. Für IceCube hat diesen Ansatz seit 2017 maßgeblich Naoko Kurahashi Neilson von der Drexel University in Philadelphia entwickelt. Damit hat das IceCube-Team nun Daten aus zehn Jahren, gemessen zwischen Mai 2011 und Mai 2021, besser analysiert, als es zuvor möglich war. Dabei wurden fast 59.600 Ereignisse zwischen 0,5 und mehreren Tausend Teraelektronenvolt berücksichtigt. Das sind 30 Mal so viel wie in einer 2019 publizierten Studie, die keine galaktischen Neutrinos nachweisen konnte.

Das neue Bild der Galaxis

Die Milchstraße leuchtet über das ganze elektromagnetische Spektrum – von der Radio- bis zur Gammastrahlung. Für letztere ist bei Energien über ein Gigaelektronenvolt die Galaktische Ebene die auffälligste Quelle am Himmel. Die meisten dieser Gammaquanten stammen aus dem Zerfall neutraler Pionen, auch π-Mesonen genannt. Diese äußerst kurzlebigen Partikel entstehen aus der Kollision der Kosmischen Strahlung mit dem Gas zwischen den Sternen. Das gilt auch für positiv und negativ geladene Pionen. Diese zerfallen in Elektronen, Positronen sowie in Elektron- und Myon-Neutrinos und -Antineutrinos. Daher hatte Floyd W. Stecker vom Goddard Space Flight Center der NASA schon 1979 in einem Fachartikel im Astrophysical Journal die Existenz eines diffusen Stroms von Neutrinos vorausgesagt.

Diese Teilchen hat IceCube nun gemessen – und damit einen weiteren Meilenstein bei der Entwicklung der abbildenden Neutrino-Astronomie erreicht. „Der Nachweis von Neutrinos aus der Milchstraße ist ein beeindruckendes Beispiel für die Anwendung des maschinellen Lernens in der Grundlagenforschung“, sagt Klaus Helbing. Der Professor für Astroteilchenphysik an der Universität Wuppertal koordiniert die deutsche Beteiligung an IceCube. Das sind zehn Universitäten sowie die Forschungszentren DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron in Zeuthen) und KIT (Karlsruher Institut für Technologie). Insgesamt umfasst das IceCube-Team inzwischen etwa 350 Wissenschaftler und Ingenieure aus 58 Forschungsinstitutionen in 14 Ländern.

Die neue Datenanalyse ergab „starke Indizien, dass die Milchstraße eine Quelle energiereicher Neutrinos ist“, lautet die fast zu vorsichtig formulierte Schlussfolgerung des IceCube-Teams in der Fachzeitschrift Science. Die statistische Signifikanz des Nachweises beträgt 4,5 Sigma – das entspricht einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als 1 zu 150.000.

Wie groß der Anteil lokalisierter Quellen an der gesamten Emission ist und welche Quellen das sein könnten, lässt sich gegenwärtig nicht sagen. Die Daten sind sowohl mit einer komplett diffusen Neutrino-Strahlung vereinbar als auch mit einzelnen starken Emittern. Hier kommen besonders Supernova-Überreste und Pulsarwind-Nebel infrage, also die Relikte brachialer Sternexplosionen.

Einige solcher Objekte sind durch Gammastrahlen-Detektoren nachgewiesen worden; außerdem gibt es viele noch unidentifizierte energiereiche Gamma-Quellen. Ein paar der bekannten Quellen – wie der Krabben-Nebel und die Cygnus-X-Region – haben eine gewisse Entsprechung mit den Neutrino-Daten. Allerdings sind die Korrelationen bislang nicht signifikant, obschon die Irrtumswahrscheinlichkeiten teilweise bei 1 zu 1.000 liegen.

Eine weitere Studie des IceCube-Teams zeigte mit Computersimulationen, dass es Messungen prinzipiell erlauben werden, lokalisierte Neutrino-Quellen zu identifizieren, falls es sie gibt – mindestens fünf davon, bestenfalls über 20. Außerdem wird IceCube bald ausgebaut und dadurch beträchtlich größer und empfindlicher werden. Spätestens in 10 bis 20 Jahren sollten wir also die stärksten Neutrino-Quellen in der Galaxis kennen.

Der Kosmischen Strahlung auf der Spur

Eine Schlussfolgerung aus der IceCube-Forschung ist aber schon jetzt möglich: Ein stattlicher Teil der energiereichen Kosmischen Strahlung ist hadronisch, nicht leptonisch – er wird also durch die Kollision von Protonen und schwereren Atomkernen erzeugt. Folglich müssen auch Hadronen in der Milchstraße extrem stark beschleunigt werden, wie es in Aktiven Galaxien geschieht.

Wie groß dieser Anteil ist, lässt sich momentan nicht sagen. Anhand der IceCube-Daten schätzte Vittoria Vecchiotti von der Universität Trondheim in Norwegen, dass weniger als die Hälfte der galaktischen Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 1 und 100 Teraelektronenvolt einen hadronischen Ursprung hat.

Und noch eine Erkenntnis haben Ke Fang, John S. Gallagher und Francis Halzen vor kurzem aus den Daten gewonnen: „Die über den ganzen Himmel gemittelte diffuse Emission der galaktischen Gammastrahlung ist bei Energien zwischen 0,001 und 1 Teraelektronenvolt heller als der extragalaktische Gammastrahlen-Hintergrund. Doch die diffuse Emission der galaktischen Neutrinos ist zwischen 1 und 100 Teraelektronenvolt schwächer als der extragalaktische Neutrino-Hintergrund.“ Das erklärt einerseits, warum der Nachweis der galaktischen Neutrinos so schwierig und aufwendig war. Andererseits ist der Befund auch eine Überraschung: „Er bedeutet, dass die Milchstraße gegenwärtig keine typische Quelle hochenergetischer Neutrinos ist“, schreiben die Forscher von der University of Wisconsin in Madison.

Die Neutrino-Helligkeit der Milchstraße ist zehn- bis hundertmal geringer als der Durchschnitt ferner Galaxien. Halzen, der Leiter von IceCube, spricht daher sogar von einer „Neutrino-Wüste“. Warum keine oder nur wenige starke Emitter existieren, die den galaktischen Neutrino-Hintergrund in den letzten Millionen Jahren dominiert haben, wollen die Milchstraßen-Pioniere nun herausfinden. Es gibt noch viele Lücken und Geheimnisse auf der galaktischen Landkarte.