TXS 0506+056 gehört zu den leuchtkräftigsten Objekten im bekannten Universum. Allerdings wurde der Blazar erst 1983 entdeckt, denn er ist sehr weit entfernt. Wie weit, haben Astronomen erst bestimmt, nachdem das mutmaßliche Neutrino-Signal für Aufmerksamkeit sorgte. Dazu war das zurzeit größte Einzelspiegel-Teleskop der Welt nötig, das 10,4-Meter-Teleskop GTC (Gran Telescopio Canarias) auf der Kanareninsel La Palma. Andere Teleskope waren daran gescheitert, die Rotverschiebung des Spektrums von TXS 0506+056 zu messen (z = 0,34), aus der sich die Distanz errechnen lässt: rund vier Milliarden Lichtjahre. »Selbst mit dem enormen Lichtsammelvermögen des GTC brauchten wir viele Stunden, um typische Emissionslinien des ionisierten Gases zu finden«, sagt die Astronomin Simona Paiano aus Padua, der zusammen mit Riccardo Scarpa vom GTC die Beobachtungen gelangen.
Erhöhte Gammastrahlung
Nach der Eilmeldung von IceCube richteten Astronomen rund 20 Teleskope auf der Erde und im Orbit auf den Blazar. Das Weltraumobservatorium Fermi maß am Folgetag – genau wie einige Tage vorher – einen Gammastrahlen-Ausbruch von der fernen Galaxie. Das Large Area Telescope an Bord des Satelliten, das seit April 2008 alle drei Stunden den gesamten Himmel scannt, hat bereits seit April 2017 eine erhöhte Gamma-Aktivität des Blazars festgestellt. Doch der September-Ausbruch war der stärkste, der jemals gemessen wurde.
»Fermi beobachtet seit einem Jahrzehnt regelmäßig fast 1800 Blazare. Dadurch konnten wir TXS 0506+056 als Neutrino-Quelle identifizieren«, sagt Regina Caputo, die die Datenanalyse der Forscher vom Fermi Large Area Telescope koordiniert. Die Wahrscheinlichkeit für einen zufälligen Zusammenhang veranschlagen die Astrophysiker auf weniger als 0,15 Prozent – das ist ein gutes Indiz, allerdings kein sicherer Beweis.
Das weltgrößte Einzelteleskop im optisch-infraroten Bereich: 2,4 Kilometer über dem Meer auf dem Roque de los Muchachos, La Palma, thront das Gran Telescopio Canarias. Der Durchmesser seines Hauptspiegels beträgt 10,4 Meter. [D. López]
Das Gammastrahlen-Teleskop MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes) auf La Palma registrierte ebenfalls die erhöhte Aktivität des Blazars und war in der Lage, noch höhere Energien als Fermi zu detektieren: Gammastrahlen bis zu 400 Gigaelektronenvolt – das erste Mal überhaupt von dieser Quelle. MAGIC beobachtete TXS 0506+056 über mehrere Wochen, insgesamt 41 Stunden lang, und maß dabei zwei Schübe mit einer bis zu sechsfach erhöhten Gamma-Aktivität: am 3. und am 31. Oktober 2017. Andere Gammastrahlen-Teleskope fanden zunächst nichts; aber VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) in Arizona konnte schließlich MAGICs Resultate bestätigen.
Auch Teleskope für andere Wellenlängen nahmen den Blazar ins Visier. So maßen Swift und NuSTAR Röntgenstrahlung und das Very Large Array sowie das Owens Valley Radio Observatory eine erhöhte Radiostrahlung mit beträchtlichen Schwankungen. Mehrere optische Teleskope waren ebenfalls im Einsatz. Insgesamt beteiligten sich über tausend Astronomen aus aller Welt an der konzertierten Beobachtungsaktion.
Weitere Neutrinos im Eis erhascht
TXS 0506+056 gehört zu den 50 hellsten Gamma-Quellen am Himmel. Doch es gibt leuchtkräftigere und nähere Blazare. Warum also stammt die erste klare Neutrino-Gamma-Koinzidenz ausgerechnet von TXS 0506+056? Das könnte an seiner Position am Himmel liegen. Diese ist günstig für IceCube-Messungen, da der Blazar flach unter dem Horizont steht. Daher fliegen seine Neutrinos relativ kurz durch die Erde, was die Wahrscheinlichkeit ihrer Absorption um das Drei- bis Fünffache verringert.
Nach der Entdeckung des Neutrinos am 22. September 2017 durchsuchte das IceCube-Team das Datenarchiv des Detektors. Tatsächlich gab es zwischen September 2014 und März 2015 aus ungefähr derselben Richtung den bislang stärksten Neutrino-Fluss in den 9,5 Jahren Messzeit. IceCube erspähte innerhalb von 110 Tagen 13 plus/minus 5 Neutrinos, die allerdings energieärmer waren als 170922A. Das bestärkt die Schlussfolgerung, dass TXS 0506+056 eine der Quellen kosmischer Neutrinos ist. Die Zufallswahrscheinlichkeit bezifferten die Forscher auf nur 0,02 Prozent (3,5 Sigma).
Duo auf La Palma: MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescopes) besitzt zwei 17 Meter große segmentierte Hauptspiegel. Die beiden Teleskope stehen 85 Meter voneinander entfernt auf dem Roque de Los Muchachos und wurden 2004 beziehungsweise 2009 in Betrieb genommen. Sie messen das Tscherenkow-Licht, das hochenergetische Gammastrahlen zwischen 30 und 100.000 Gigaelektronenvolt in der Erdatmosphäre auslösen. Im Vordergrund befindet sich ein Gebäude für den technischen Betrieb, oben auf dem Bergrücken ist eine der vielen Kuppeln der optischen Teleskope des Roque de Los Muchachos Observatory zu erkennen. [R. Vaas]
»Die Indizien für die Beobachtung der ersten Quelle energiereicher Neutrinos und Kosmischer Strahlen ist zwingend«, meint Francis Halzen. Der Physik-Professor an der University of Wisconsin-Madison ist leitender Wissenschaftler von IceCube. »Die Fähigkeit, global Teleskope für eine Vielzahl von Wellenlängen zusammen mit IceCube einzusetzen, ist ein Meilenstein für das, was wir Multi-Messenger-Astronomie nennen.«
»Das Ergebnis ist eine bemerkenswerte Kulmination von zusammengerechnet Tausenden von Arbeitsjahren des IceCube-Teams, um den Traum der Neutrino-Astronomie Wirklichkeit werden zu lassen«, sagt Darren Grant, Physik-Professor an der University of Alberta und Sprecher der IceCube-Forschergemeinschaft, die sich aus über 300 Wissenschaftlern von 49 Institutionen in zwölf Ländern zusammensetzt. Aus Deutschland sind Forscher von neun Universitäten beteiligt sowie vom DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Zeuthen.
Quartett in Arizona: VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) auf dem Mount Hopkins besteht aus vier Teleskopen mit je einem zwölf Meter großen Spiegel. Sie haben einen Abstand von etwa 100 Meter zueinander. Sie begannen 2007 mit der Suche nach kosmischen Gammastrahlen zwischen 100 und 30.000 Gigalektronenvolt. [VERITAS Collab.]
Natürlich war 170922A nur die Spitze des antarktischen Neutrino-Eisbergs. Es müssen Millionen derartiger Teilchen von dem Blazar unbemerkt durch IceCube geschossen sein. Und eine neue Studie ergab noch mehr: Nur fünf Prozent aller Blazare würden genügen, um den diffusen kosmischen Neutrino-Fluss zu erklären, den IceCube misst, wenn sie einmal alle zehn Jahre eine Aktivität entwickeln wie TXS 0506+056 im Jahr 2014. Das schätzte Halzen zusammen mit drei Kollegen in einem Fachartikel, den die Forscher Ende 2018 zur Publikation einreichten.
Ursprung der Kosmischen Strahlung
Energiereiche Gammastrahlung kann entweder von stark beschleunigten Elektronen oder Protonen erzeugt werden. Neutrinos entstehen aus dem Zerfall von Pionen als Nebenprodukte von Protonen-Wechselwirkungen. Somit sind die Messungen von TXS 0506+056 der erste definitive Hinweis, dass zumindest ein Teil der Gammaquanten von Blazaren aus der Beschleunigung von Protonen oder Elektronen in der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher stammt.
Diese Entdeckung hat weitreichende Konsequenzen, denn sie wirft sozusagen ein Gammalicht auf die aus allen Richtungen eintreffende Kosmische Strahlung. Diese 1911 und 1912 von Domenico Pacini und Victor Hess entdeckte »Höhenstrahlung« enthält