Kosmischer Detektivfall: Eine frühe Galaxie als Quelle kosmischer Geisterteilchen?
Rund 70 Milliarden Neutrinos durchströmen jede Sekunde den menschlichen Daumennagel – so eine weitverbreitete Veranschaulichung der Allgegenwart dieser leichten, elektrisch neutralen und nur über die schwache Kernkraft und die Gravitation wechselwirkenden Teilchen. Die meisten davon stammen von unserer Sonne, einige jedoch kommen aus den Tiefen des Kosmos und erreichen dabei deutlich höhere Energien; so auch jenes, das im Jahr 2021 mit dem IceCube Neutrino Observatory in der Antarktis gemessen wurde. Als mögliche Quelle des entsprechenden Signals mit der Bezeichnung IC 210922A konnte ein Team um Yuji Urata von MITOS Science Co LTD in Taiwan eine extrem leuchtkräftige Galaxie in einer Entfernung von elf Milliarden Lichtjahren ausmachen. Die Ergebnisse stellte das Team in der Fachzeitschrift »Nature Astronomy« vor.
Obwohl Neutrinos unter den massebehafteten Teilchen die weitaus häufigsten im Universum sind, ist ihr Nachweis notorisch schwierig, denn sie treten kaum mit normaler Materie in Wechselwirkung. Für die Astrophysik sind sie dennoch von großer Bedeutung. So spielen sie etwa eine zentrale Rolle bei der Explosion massereicher Sterne am Ende ihres Lebens. Während solche Ereignisse vor allem niederenergetische Neutrinos erzeugen, ist die Herkunft der seltenen hochenergetischen Teilchen noch unklar.
Auf den Detektorausschlag am 22. September 2021 um 20:17:21 Uhr MESZ folgte daher eine ganze Reihe von Nachbeobachtungen, um die mögliche Quelle zu identifizieren. Doch weder eine Supernova noch ein Gammastrahlen- oder Röntgenausbruch ließ sich IC 210922A zuordnen.
Erst Tage später stieß das Team um Urata in Beobachtungsdaten des James Clerk Maxwell Telescope auf Hawaii schließlich auf die staubreiche Galaxie JCMT0402−0424 – genannt »Shadow Blaster«. Sie befindet sich im Sternbild Eridanus bei einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 2,99, leuchtet im Infraroten billionenmal heller als unsere Sonne und erscheint zudem gleich vierfach. Das liegt am Gravitationslinseneffekt der massereichen elliptischen Vordergrundgalaxie. Das Licht von JCMT0402−0424 wird dadurch verzerrt und verstärkt. Auf diese Weise gelang es überhaupt, die Ursprungsgalaxie in ausreichender Detailschärfe aufzulösen.
Die Aufnahme des Gemini North Telescope im Visuellen zeigt das Umfeld der Galaxie JCMT0402−0424. Sie befindet sich fast exakt hinter der hellen, rötlich erscheinenden elliptischen Galaxie im Zentrum des Bildes (links). Die sehr massereiche, rötliche Vordergrundgalaxie krümmt die Raumzeit und wirkt wie eine kosmische Linse. Das Licht der weiter entfernten »Shadow Blaster«-Galaxie wird abgelenkt und es entstehen mehrere verzerrte Abbilder, die in diesem Kompositbild des Gemini North Telescope und des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) im Visuellen und Millimeterbereich als gelbliche Bögen erscheinen (Mitte). In der »Nahaufnahme« von ALMA zeigen sich deutlich die vier gelinsten Abbildungen als drei hellere Bereiche in den Bögen und ein weiteres einzelnes Abbild (rechts).
Mit kombinierten Datensätzen vom Gemini North Telescope auf Hawaii und dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Chile wurde der dichte Kern aus Gas und Staub von JCMT0402−0424 enthüllt. In der Galaxie bilden sich neue Sterne mit einer Rate von bis zu 470 Sonnenmassen pro Jahr. Dabei werden große Mengen kosmischer Strahlung freigesetzt, die in der dichten Zentralregion einen großen Teil ihrer Energie durch Stöße wieder abgeben. Dabei entstehen sekundäre Partikel wie Pionen, die wiederum in Neutrinos und Gammastrahlung zerfallen.
Während die »Geisterteilchen« die dichten Staubschichten nahezu ungestört durchdringen können, wird die hochenergetische Strahlung gestreut oder absorbiert – Suchen im Gamma- und Röntgenbereich blieben daher erfolglos. Im Gegensatz zu bisherigen Annahmen, nach denen vor allem Ausflüsse von extrem massereichen Schwarzen Löchern Neutrinos erzeugen, zeigt JCMT0402−0424 zudem keinerlei Anzeichen eines aktiven extrem massereichen Schwarzen Lochs.
Sollte sich der Fund bestätigen, wäre der »Shadow Blaster« die erste staubreiche und sternbildende Galaxie, die direkt mit einem Hochenergie-Neutrino-Ereignis in Zusammenhang gebracht werden kann. Da solche Galaxien vor rund zehn Milliarden Jahren sehr zahlreich waren, schätzt das Team, dass diese Population bis zu 20 Prozent des gesamten von IceCube gemessenen diffusen Neutrinohintergrunds erklären könnte.
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