Hochenergetische Neutrinos aus dem aktiven galaktischen Kern (AGN) im Herzen der Galaxie Messier 77 wurden vom Neutrino-Observatorium IceCube entdeckt. Die Galaxie, die auch als NGC 1068 bekannt ist, beherbergt ein supermassereiches Schwarzes Loch, und die Beobachtungen öffnen ein Fenster zu den heftigen Prozessen, von denen angenommen wird, dass sie kosmische Strahlung erzeugen.
Neutrinos sind schwer fassbare Teilchen, die kaum mit anderer Materie interagieren und die Erde leicht passieren können. Eiswürfel nutzt einen Kubikkilometer Eis unter dem Südpol, um extrem seltene Kollisionen zwischen kosmischen Neutrinos und Wassermolekülen zu beobachten. Diese Wechselwirkungen erzeugen sich schnell bewegende geladene Teilchen, die im Eis Lichtblitze erzeugen, die Cherenkov-Strahlung genannt werden. Das Licht wird von einem Netzwerk aus mehr als 5000 Detektoren im Eis eingefangen, sodass die Physiker der IceCube-Kollaboration herausfinden können, woher die Neutrinos stammen.
IceCube hat es angekündigt erste Beobachtungen hochenergetischer kosmischer Neutrinos 2013 und fünf Jahre später wurde erstmals a kosmisches hochenergetisches Neutrino aus einer Art AGN namens Blazar.
Jetzt berichten IceCube-Wissenschaftler von ihrer bisher größten Ausbeute an hochenergetischen Neutrinos. Dies sind 79 Teilchen von M77, einer Galaxie mit 47 Millionen Licht-Jahre entfernt. Die Beobachtungen wurden zwischen Mai 2011 und Mai 2020 aufgezeichnet und die Kollaboration geht davon aus, dass die Neutrinos aus dem Kern des AGN von M77 hervorgegangen sind, der ansonsten durch einen dicken Torus aus Staub und Gas vor unserer Sicht verborgen ist.
Verbindung zur kosmischen Strahlung
Astrophysiker glauben, dass die 79 hochenergetischen Neutrinos entstanden sind, als geladene Teilchen wie Protonen durch Magnetfelder innerhalb des AGN auf hohe Energien beschleunigt wurden. Einige dieser beschleunigten Teilchen werden dem Schwarzen Loch entkommen und zu kosmischer Strahlung werden. Andere werden mit Teilchen oder Photonen innerhalb des AGN kollidieren, um ein paar Mesonen zu erzeugen. Diese Mesonen zerfallen dann schnell in Gammastrahlen und Neutrinos. In M77 werden die Gammastrahlen durch den staubigen Torus der Galaxie abgeschwächt, aber die meisten Neutrinos passieren ungehindert – einige erreichen schließlich die Erde.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Teilchenbeschleunigung die starken, verdrehenden Magnetfelder beinhaltet, die innerhalb eines AGN existieren. Es ist jedoch nicht klar, wo diese magnetische Beschleunigung auftritt. Mögliche Orte sind die Akkretionsscheibe aus Materie, die in das supermassereiche Schwarze Loch wirbelt, oder die leuchtende Korona, die sehr heiße Region, die das Schwarze Loch unmittelbar umgibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Beschleunigung in den Materiestrahlen auftritt, die aus dem AGN in Richtung senkrecht zur Akkretionsscheibe schießen.
Frances Halzen von der University of Wisconsin, Madison, der die IceCube Collaboration leitet, erzählt Physik-Welt dass die Beobachtungen zeigen, dass die Neutrinos aus einer Region des AGN stammen, die als „Kokon“ bezeichnet wird, dies ist eine Kernregion des AGN, in der Materie von den Jets nach außen geblasen wird und die Korona umhüllt.
Keine Gammastrahlen erkannt
„Die unvermeidlich zusammen mit den Neutrinos erzeugten [Gammastrahlen-]Photonen verlieren im dichten Kern Energie und treten mit niedrigeren Energien aus“, erklärt er. „Dies wird durch die Tatsache unterstrichen, dass der NASA-Satellit Fermi [Gammastrahlen] die Quelle nicht im Energiebereich der nachgewiesenen Neutrinos detektiert.“
Die herkömmliche Ansicht ist, dass die meisten Partikel und Strahlung, die von einem AGN emittiert werden, aus der heißen Akkretionsscheibe stammen, jedoch wachsen die Zweifel an der Richtigkeit dieses thermischen Emissionsmodells. Andy Lawrence von der University of Edinburgh weist darauf hin, dass einige AGNs eine variable Helligkeit aufweisen und diese Schwankungen zu schnell auftreten, um mit Änderungen in der Akkretionsscheibe in Verbindung gebracht zu werden. Lawrence, der nicht an der IceCube-Kollaboration beteiligt ist, fügt hinzu: „Es kann sein, dass eine ausgefeiltere Scheibentheorie plus begleitende nicht-thermische Emission in der Scheibenkorona oder dem Strahl ausreichen könnte.“
Tatsächlich scheint diese jüngste Beobachtung von IceCube die Idee zu untermauern, dass die Teilchenbeschleunigung eher in der Korona des AGN als in der Akkretionsscheibe stattfindet.
Nächste Generation
Auch wenn das Rätsel, wie Teilchen in einem AGN beschleunigt werden, mit diesen 79 Neutrinos nicht gelöst werden kann und eine Aufrüstung des Detektors gefordert wird IceCube-Generation 2 soll bis 2033 abgeschlossen sein.
IceCube identifiziert vier Galaxien als wahrscheinliche Quellen kosmischer Strahlung
Laut Halzen wurde Generation 2 entwickelt, um Neutrinoquellen wie AGNs zu untersuchen. „Der Detektor wird mehr als das achtfache Volumen von IceCube und vor allem auch eine bessere Winkelauflösung haben. Die Kombination der beiden ermöglicht Erkennungen mit einem Jahr an Daten statt einem Jahrzehnt, wie es jetzt der Fall ist.“
Messier 77 ist eine von Amateur- und Berufsastronomen gleichermaßen gut untersuchte Galaxie. Das Verständnis, wie es hochenergetische Neutrinos produziert, könnte es M77 daher ermöglichen, zu einem Rosetta-Stein für das Verständnis anderer aktiver Galaxien zu werden.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.
