Zum ersten Mal hat eine internationale Zusammenarbeit von über 800 Wissenschaftlern ihre Kräfte gebündelt, um die Quellen hochenergetischer kosmischer Neutrinos aufzuspüren. Durch die Kombination von Neutrinobeobachtungen mit denen von Gammastrahlen öffnet dieser Multi-Messenger-Ansatz ein neues Fenster zu den gewalttätigsten Phänomenen des Universums.
Diese Studie markiert einen Wendepunkt: Vier Netzwerke atmosphärischer Tscherenkov-Teleskope (FACT, H.E.S.S., MAGIC, VERITAS) und das Large Area Telescope (LAT) des Fermi-Satelliten haben erstmals ihre Daten zusammengeführt, um in diesen nach Gammastrahlen-Ereignissen zu suchen, die von derselben Quelle stammen könnten wie die 2017 von IceCube detektierten Neutrinos. Eine beispiellose Kooperation zwischen Einrichtungen, die normalerweise im Wettbewerb stehen!
IceCube Lab bei Sonnenuntergang - 2017.
Credit: Martin Wolf, IceCube/NSF Die Analyse umfasst Folgebeobachtungen von hochenergetischen Neutrino-Ereignissen, die von den vier Observatorien zwischen September 2017 (nach dem Ereignis IceCube-170922A) und Januar 2021 beobachtet wurden. Die Studie fand keine Verbindung zwischen den Quellen der γ-Strahlen und den beobachteten Neutrino-Ereignissen, konnte jedoch kombinierte Obergrenzen für den Fluss sehr hochenergetischer Gammastrahlen liefern, die diese Quellen aussenden könnten. Diese Grenzen sind strenger als die von einem einzelnen Teleskop erhaltenen, da sie auf einer durch die Datenkombination erhöhten Empfindlichkeit beruhen.
Diese Grenzen erlauben es, bestimmte theoretische Modelle der kosmischen Strahlungsbeschleunigung auszuschließen. Wenn ein Modell einen Gammastrahlenfluss vorhersagt, der über den festgelegten Grenzen liegt, muss es überarbeitet werden.
Warum sucht man nach mit Neutrinos assoziierten Gammastrahlen?
Die Astronomie ist in das Zeitalter der "Multi-Messenger"-Astrophysik eingetreten, in dem kosmische Phänomene nicht nur mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung, sondern auch von Gravitationswellen und Neutrinos untersucht werden.
Wenn ein Neutrino in einer astrophysikalischen Quelle (wie einem Blazar oder einem Supernova-Überrest) erzeugt wird, sollte es von hochenergetischen Gammastrahlen begleitet sein. Diese Gammastrahlen sind im Gegensatz zu Neutrinos leichter nachzuweisen, und wenn man Gammastrahlen detektiert, bestätigt dies, dass die Quelle tatsächlich ein kosmischer Beschleuniger ist. Wenn man nichts detektiert, kann man dennoch eine Obergrenze für den Gammastrahlenfluss festlegen, den diese Quelle aussenden könnte.
Himmelskarte in äquatorialen Koordinaten, die die Positionen der IceCube-Alerts zwischen September 2017 und Januar 2021 zeigt.
Die von den atmosphärischen Tscherenkov-Teleskopen verfolgten Alerts sind farbig dargestellt (nach Alert-Typ), während die nicht verfolgten in Grau sind.
Die Buchstaben geben an, welche Teleskope an den Beobachtungen teilgenommen haben (F:FACT, H:H.E.S.S., M:MAGIC, V:VERITAS).
Die Forscher haben:
- bekannte Quellen von Gammastrahlen im Zusammenhang mit von IceCube zwischen September 2017 und Januar 2021 detektierten
Neutrino-Ereignissen gesucht.
- die Beobachtungen mehrerer Gammastrahlen-Teleskope koordiniert (H.E.S.S. für den Südhimmel, MAGIC, VERITAS und FACT für den Nordhimmel, sowie das Large Area Telescope (LAT) von Fermi).
- dann ihre Daten kombiniert, um gemeinsame Obergrenzen für den mit jedem Neutrino-Ereignis assoziierten Gammastrahlenfluss festzulegen.
Ergebnis: Hätten die Teleskope Gammastrahlen im Einklang mit den Neutrinos detektiert, hätte dies die Identität der Quelle bestätigt.
Da in den meisten Fällen keine signifikante Detektion gemacht wurde, konnten die Forscher Obergrenzen für den Gammastrahlenfluss festlegen, den diese Quellen aussenden könnten. Diese Grenzen sind strenger als die von einem einzelnen Teleskop erhaltenen, da sie auf einer vollständigen Himmelsabdeckung und einer durch die Datenkombination erhöhten Empfindlichkeit beruhen.
Konkretes Beispiel: Der Fall des Blazars 1ES 1312-423
In der Studie hat ein besonderer Fall Aufmerksamkeit erregt:
Im März 2019 detektierte H.E.S.S. sehr hochenergetische Gammastrahlen von dem Blazar 1ES 1312-423, nachdem IceCube eine Häufung von Neutrinos in derselben Himmelsregion detektiert hatte. Nach einer eingehenden Analyse kamen die Forscher jedoch zu dem Schluss, dass:
- Der beobachtete Gammastrahlenfluss mit der "normalen" Emission dieses Blazars vereinbar war.
- Die von IceCube detektierten Neutrinos wahrscheinlich nicht mit diesem Blazar in Verbindung standen, sondern eher auf eine zufällige Fluktuation des Neutrino-Hintergrunds zurückzuführen waren.
- Die für die anderen Quellen festgelegten Obergrenzen erlaubten den Schluss, dass
keine Quelle eine klare Korrelation zwischen Neutrinos und Gammastrahlen während des untersuchten Zeitraums zeigte.
Was bedeuten diese Grenzen für die Wissenschaft:
- Theoretische Modelle ausschließen: Die Studie liefert einen "Referenzdatensatz", der theoretische Modelle der Neutrinoemission einschränkt. Wenn ein Modell beispielsweise vorhersagt, dass eine Quelle einen Gammastrahlenfluss oberhalb der durch die kombinierte Analyse festgelegten Obergrenze aussenden sollte, dann ist dieses Modell ungültig und muss überarbeitet werden.
- Sie demonstriert die Fähigkeit der aktuellen Generation von Tscherenkov-Teleskopen, als ein globales Netzwerk zu fungieren und schnell auf Alerts des Neutrino-Observatoriums IceCube zu reagieren.
- Diese Arbeit bereitet den Boden für die Zukunft der zeitaufgelösten Astronomie. Die aus dieser koordinierten Forschung gewonnenen Erkenntnisse sind entscheidend für das zukünftige Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), das eine verbesserte Empfindlichkeit und schnelle Reaktionszeiten bieten wird.
- Darüber hinaus bereitet sich das globale Netzwerk darauf vor, die Nachverfolgung von Alerts der Neutrino-Observatorien der nächsten Generation wie KM3NeT zu gewährleisten, was unsere Fähigkeit, diese gewalttätigen kosmischen Ereignisse in Echtzeit zu erfassen, erheblich erhöhen wird.
Quelle: CEA IRFU