Die Ergebnisse der Studie wurden im Rahmen eines wissenschaftlichen Online-Webinars vorgestellt, an dem Experten teilnahmen
Was haben die Wissenschaftler getan?
Zum ersten Mal eine internationale Gruppe von Astronomenfanden Hinweise auf hochenergetische Neutrino-Emissionen aus der Galaxie NGC 1068 in einer Entfernung von 47 Millionen Lichtjahren von der Erde. Es ist auch als Messier 77 bekannt und befindet sich im Sternbild Cetus. Aufgrund seiner Helligkeit und Aktivität ist NGC 1068 eines der bekanntesten und am besten untersuchten Objekte. Es wurde bereits 1780 entdeckt und kann heute mit großen Ferngläsern beobachtet werden.
Trotz der Tatsache, dass Wissenschaftler viel über NGC 1068 wissen, war es nicht so einfach, seine verborgene Neutrinoaktivität zu beobachten. Warum genau, verraten wir etwas später.
Wie haben sie das gemacht?
Wissenschaftler entdecken dank Observatorium NeutrinosEiswürfel. Es ist ein riesiges Neutrino-Teleskop, das eine Milliarde Tonnen verarbeitetes Eis 1,5 bis 2,5 km unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols bedeckt.
Wenn ein Neutrino mit Molekülen im klaren antarktischen Eis interagiert, erzeugt es Sekundärteilchen, die beim Durchgang durch den IceCube-Detektor eine Spur aus blauem Licht hinterlassen.
Bildcredit und Bildrechte: Nicole R. Fuller, IceCube/NSF
Dies ist ein einzigartiges Observatorium, das erforschtdie entferntesten Winkel des Universums hier auf der Erde, mit Hilfe von Neutrinos. Ihm ist es zu verdanken, dass Wissenschaftler 2018 die erste Beobachtung einer hochenergetischen Neutrinoquelle meldeten. Wir sprechen über das Objekt TXS 0506 + 056, einen mächtigen Blazar, der sich auf der linken Schulter des Orion befindet, einer Konstellation, die 4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist.
Die Entdeckung einer zweiten Quelle hochenergetischer Neutrinos und kosmischer Strahlung ist das Ergebnis von mehr als 30 Jahren wissenschaftlicher Forschung. Abbildung: IceCube/NSF
Wenn Neutrinos mit Molekülen im klaren antarktischen Eis interagieren, entstehen Sekundärteilchen. Sie hinterlassen eine Spur aus blauem Licht, wenn sie den IceCube-Detektor passieren.
Insgesamt hat er ca. angesammelt80 Neutrinos mit Teraelektronenvolt-Energie von NGC 1068. Wie die Autoren der neuen Studie erklären, konnten sie die Teilchen dank einer sorgfältigen Aktualisierung der Detektorkalibrierung „fangen“. Die Arbeit von Experten für den Gerätebetrieb verbesserte die Rekonstruktion der Neutrinorichtung. Mit einfachen Worten: Physiker konnten den Weg der Teilchen von NGC 1068 genauer verfolgen.
Was sind Neutrinos?
Neutrinos sind die gebräuchliche Bezeichnung für NeutraleElementarteilchen mit halbzahligem Spin. Ihre Besonderheit besteht darin, dass sie nur an schwachen und gravitativen Wechselwirkungen teilnehmen und zur Klasse der Leptonen gehören. Mittlerweile kennen Physiker drei Arten dieser Teilchen: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos sowie ihre entsprechenden Antiteilchen. Ein weiteres Merkmal von Neutrinos ist, dass sie sehr wenig Masse und keine Ladung haben. Sie entstehen bei thermonuklearen Reaktionen von Sternen und Supernova-Explosionen .
Diagramm des IceCube-Detektors. Illustration: IceCube/NSF
Die Untersuchung dieser Teilchen ist eines der wichtigsten Gebiete der Physik. Mit ihrer Hilfe finden und untersuchen Wissenschaftler Effekte, die über das Standardmodell hinausgehen.
Standardmodell – theoretischein Konstrukt der Teilchenphysik, das die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen aller Elementarteilchen beschreibt. Die moderne Formulierung wurde vor etwa 20 Jahren nach der experimentellen Bestätigung der Existenz von Quarks fertiggestellt.
Mit Hilfe solarer Neutrinos untersuchen Astronomen in Echtzeit die Prozesse, die auf der Sonne ablaufen.
Wie „funktioniert“ ein Neutrino?
Im Gegensatz zu Licht können Neutrinos entkommenextrem dichte Umgebungen im Universum und erreichen die Erde. Materie und elektromagnetische Felder, die den extragalaktischen Raum durchdringen, haben auf sie praktisch keinen Einfluss.
Obwohl sich Wissenschaftler mit der Neutrino-Astronomie mehr ausgedacht habenVor 60 Jahren war es aufgrund der schwachen Wechselwirkung von Teilchen mit Materie und Strahlung unglaublich schwierig, sie nachzuweisen. Aber das ist immer noch sehr wichtig. Wissenschaftler bezeichnen Neutrinos als „Schlüssel“, der bei der Untersuchung der extremsten Objekte im Weltraum helfen wird.
Was ist über den galaktischen „Neutrinolieferanten“ bekannt?
Wie es bei der Milchstraße der Fall ist,NGC 1068 ist eine Balkenspiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einer relativ kleinen zentralen Ausbuchtung. Allerdings ist NGC 1068 im Gegensatz zu unserer Galaxie ein aktives Objekt. Das bedeutet, dass der Großteil der Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in das zentrale Schwarze Loch fällt. Es ist millionenfach massereicher als die Sonne und sogar Sagittarius A*, ein inaktives Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie.
Hubble-Bild der Spiralgalaxie NGC 1068. Bildnachweis: NASA/ESA/A. Van der Hoeven
NGC 1068 gehört ebenfalls zu den Seyfert-Galaxien vom Typ II.
Seyfert-Galaxie - Spirale odereine unregelmäßige Galaxie mit einem aktiven Kern, deren Emissionsspektrum viele helle, breite Bänder enthält, was auf starke Gasemissionen mit Geschwindigkeiten von bis zu mehreren tausend Kilometern pro Sekunde hinweist. Objekte vom Typ II haben einen charakteristischen hellen Kern und erscheinen auch hell, wenn sie im Infrarotbereich beobachtet werden.
das Hauptproblem
NGC 1068 ist von der Erde aus in einem solchen Winkel sichtbarDer zentrale Bereich, in dem sich das Schwarze Loch befindet, ist der Beobachtung verborgen. Die Prozesse darin bleiben ein Rätsel. Auch in Seyfert-Galaxien vom Typ II verdeckt ein Torus aus Kernstaub den Großteil der hochenergetischen Strahlung. Es wird durch eine dichte Masse aus Gas und Partikeln erzeugt, die sich langsam und spiralförmig nach innen in Richtung des Zentrums der Galaxie bewegt.
All dies und die Strahlung sollten blockierengamma Strahlen. Andernfalls würden sie die Neutrinos „begleiten“ und den Wissenschaftlern helfen. Nachdem die Physiker nun die Detektoren von IceCube kalibriert und schwer fassbare Teilchen aus dem Kern von NGC 1068 entdeckt haben, erfahren sie mehr über die Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher, ohne Gammastrahlen zu berücksichtigen.
Warum ist das Zählen von Neutrinos aus Galaxien so wichtig?
Laut den Autoren der Studie dankDie Neutrinomessungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 IceCube sind der Beantwortung der Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung, die Wissenschaftler seit mehr als hundert Jahren stellen, einen Schritt näher gekommen.
Blick auf das IceCube Lab in der Abenddämmerung.
Bildnachweis und Urheberrecht: Martin Wolf, IceCube/NSF
Jetzt wissen Wissenschaftler, was sie sindStröme getrennter und unabhängiger geladener Teilchen, die mit enormer Geschwindigkeit aus dem Weltraum „fliegen“. Sie werden von Protonen dominiert, enthalten aber auch Elektronen, Heliumkerne und schwerere chemische Elemente.
Darüber hinaus half die Studie den Wissenschaftlern zu verstehen, dass es möglicherweise noch viele weitere solcher Objekte im Universum gibt. Sie müssen noch identifiziert werden.
Was weiter?
In Zukunft wird NGC 1068 zum Maßstab fürNeutrinoteleskope, so die Autoren der Studie. Ja, dies ist für Astronomen bereits ein sehr gut untersuchtes Objekt. Aber Neutrinos werden es Wissenschaftlern ermöglichen, diese Galaxie aus einer völlig anderen Perspektive zu sehen.
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Quellen:
Hinweise auf Neutrino-Emission aus der nahegelegenen aktiven Galaxie NGC 1068, Science (2022)
Neutrinos enthüllen verborgene galaktische Aktivität, Wissenschaft (2022)
Titelbild: Balkenspiralgalaxie NGC 1068
Mitwirkende: NASA, ESA, Alex Filippenko (UC Berkeley), William Sparks (STScI), Louis C. Ho (KIAA-PKU), Matthew A. Malkan (UCLA), Alessandro Capetti (STScI), Alyssa Pagan (STScI)