Schlagwort: Neutrino

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Animation: Schwarzes Loch vernichtet Stern

Video-Illustrationscredit: DESY, Labor für Wissenschaftskommunikation

Was passiert, wenn ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe kommt? Das Schwarze Loch kann ihn zerreißen – aber wie? Nicht seine starke Anziehungskraft ist das Problem, sondern der Unterschied der Gravitationswirkung an verschiedenen Seiten des Sterns.

Das hier gezeigte animierte Video illustiert diese Zerreißprobe: Zuerst sieht man einen Stern, der sich einem Schwarzen Loch nähert. Während seine Umlaufgeschwindigkeit ansteigt, wird die äußere Atmosphäre des Sterns bei der größten Annäherung abgerissen.

Ein großer Anteil der Sternatmosphäre entweicht in die Tiefen des Alls, aber ein anderer Anteil kreist weiterhin um das Schwarze Loch und bildet eine Akkretionsscheibe.

Dorthin führt uns die Animation im Folgenden. Während wir uns zum Schwarzen Loch umsehen, nähern wir uns der Akkretionsscheibe. Aufgrund der seltsamen visuellen Effekten von Gravitationslinsen kann man sogar die Rückseite der Akkretionsscheibe sehen. Schließlich schauen wir entlang der Jets, die entlang der Rotationsachse ausgestoßen werden. Modellrechnungen der theoretischen Astrophysik zeigen, dass diese Jets nicht nur hochenergetisches Gas auswerfen, sondern auch hochenergetische Neutrinos. Eins davon könnte kürzlich auf der Erde gesehen worden sein.

Beinahe Hyperraum: APOD-Zufallsgenerator

Heute vor 29 Jahren wurde das erste APOD veröffentlicht

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Kosmische Strahlen aus Minnesota

Das Archivbild zeigt cyanfarbene Streifen auf einem Raster. Es stammt von archive.org. Der Link zur ursprünglichen Site ist nicht mehr aktuell.
Bildcredit: Fermilab, NuMI, NOvA Collaboration

Kosmische Strahlung aus dem All rast jede Sekunde durch den Körper. Doch für gewöhnlich schadet sie nicht. Das Bild zeigt einige dieser schnellen Teilchen. Sie ziehen Streifen auf dem NOvA Far Detector des Fermilabs, der in Ash River in Minnesota in den USA steht. Das Bild stammt aus dem Archiv. Es visualisiert kosmische Strahlen, die in einem kleinen Bruchteil dieser Zeit auftraten, und es zeigt hauptsächlich eine Teilchenart: Myonen.

Der NOvA Far Detector misst jedoch nicht kosmische Strahlung, sondern in erster Linie einen Strahl aus Neutrinos. Dieser entsteht 810 Kilometer entfernt vom Fermilab in Chicago in Illinois (USA) von NuMI und schießt von dort aus durch die Erde. Man erwartet jedoch nur wenige Neutrino-Ereignisse pro Woche von NOvA. Das NuMI–NOvA-Experiment soll uns helfen, die Natur der Neutrinos besser zu erforschen. Wir möchten zum Beispiel wissen, wie oft sie auf ihrer Reise die Art wechseln.

Kosmische Strahlung wurde erst vor etwa 100 Jahren entdeckt. Sie kann nicht nur das Gedächtnis eines Computers verändern, sondern führte vermutlich auch zu Mutationen der DNS, bei denen schließlich der Mensch entstand.

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Neutrino trifft zeitgleich mit fernem Blazarstrahl ein

Links ist eine rotierende Scheibe in dunkle Wolken eingebettet. Daraus schießt ein Strahl nach rechts oben.
Illustrationscredit: DESY, Labor für Wissenschaftskommunikation

Unter dem Südpol der Erde sind Geräte tief im Eis eingefroren. Damit entdeckte man anscheinend ein Neutrino aus dem fernen Universum. Falls das bestätigt wird, ist das der erste eindeutige Nachweis von Neutrinos, die kosmologisch weit entfernt sind. Es wäre der Beginn eines beobachteten Zusammenhangs zwischen energiereichen Neutrinos und kosmischer Strahlung, die entsteht, wenn aus aufflackernden Quasaren (Blazare) mächtige Ströme schießen.

Der Detektor IceCube befindet sich in der Antarktis. Im September 2017 maß er ein energiereiches Neutrino. Gleich darauf suchten viele der größten Observatorien im sichtbaren Licht nach seinem Gegenstück. Und sie fanden es. Ein Gegenstück fand unter anderem das NASA-Observatorium Fermi im Weltraum. Der Gammastrahlen-Blazar TXS 0506+056 stand in der richtigen Richtung. Die Gammastrahlen eines Blitzes trafen fast gleichzeitig mit dem Neutrino ein. Diese Übereinstimmung von Position und Zeit ist statistisch stark, und es ist nicht die einzige. Dennoch warten Astronomys auf weitere ähnliche Zusammenhänge zwischen Neutrinos und Blazar-Licht, denn sie möchten ganz sicher gehen.

Diese Darstellung ist eine Illustration. Darauf strömt ein Teilchenstrahl aus einem Schwarzen Loch im Zentrum des Blazars.

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Das beobachtbare Universum

Die Illustration veranschaulicht unser beobachtbares Universum. Im dunklen Kreis in der Mitte sind Sonne und Planeten. Nach außen hin wird der Maßstab immer gedrängter, weil die Darstellung logarithmisch ist. Nach anderen Sternen in der Umgebung folgen Galaxien, Filamente aus urzeitlicher Materie und schließlich die kosmische Hintergrundstrahlung am Rand des Kreises.

Illustrationscredit und Lizenz: Wikipedia, Pablo Carlos Budassi

Wie weit sehen wir? Das beobachtbare Universum ist alles, was ihr jetzt gerade seht und sehen könntet, wenn eure Augen jede Art von Strahlung erkennen würde. Im elektromagnetischen Spektrum stammt das Fernste, das wir messen können, von der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich. Sie stammt aus einer Zeit vor 13,8 Milliarden Jahren. Damals war das Universum undurchsichtig wie ein dicker Nebel. Einige Neutrinos und Gravitationswellen um uns herum kommen sogar von noch weiter draußen. Doch die Menschheit hat noch keine Technik, um das zu erkennen.

Die Illustration zeigt das Universum, das wir beobachten können, in einem Maßstab, der nach außen hin immer kompakter wird. In der Mitte sind Erde und Sonne. Unser Sonnensystem umgibt sie. Dann folgen nahe Sterne, nahe Galaxien, ferne Galaxien, Fasern aus früher Materie und die kosmische Hintergrundstrahlung.

Kosmologys gehen davon aus, dass das Universum, das wir beobachten können, nur der nahe Teil eines größeren Ganzen ist. Wir bezeichnen es als „das Universum“ und gehen davon aus, dass überall die gleiche Physik gilt. Doch es ein paar beliebte, wenn auch spekulative Überlegungen. Manche behaupten, unser Universum wäre nur ein Teil eines größeren Multiversums. Darin gibt es abweichende Naturkonstanten. Es gelten andere physikalische Gesetze. Vielleicht gibt es darin höhere Dimensionen oder leicht abweichende Versionen unseres Standard-Universums.

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In einem Daya-Bay-Antineutrinodetektor

Blick in den Daya-Bay-Antineutrino-Detektor bei Hongkong und Shenzhen

Bildcredit und Bildrechte: DOE, Berkeley Lab – Roy Kaltschmidt, Fotograf

Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie? Man wollte diesen Aspekt der Teilchenphysik besser verstehen. Daher starteten Energie-Ministerien von China und den USA das Daya-Bay-Experiment. Unter dickem Gestein stehen die acht Daya-Bay-Detektoren. Sie beobachten Antineutrinos, die von sechs Kernreaktoren in der Nähe ausgesandt werden. Ihr Standort liegt etwa 50 Kilometer nordöstlich von Hongkong in China.

Der Blick mit einer Kamera in einen Detektor von Daya Bay zeigt Photonen-Sensoren. Sie messen das zarte Licht, das entsteht, wenn die Antineutrinos mit Flüssigkeiten im Detektor wechselwirken.

Erste Ergebnisse zeigen, dass der Anteil einer Art Antineutrinos, die sich in andere verwandeln, unerwartet hoch ist. Falls sich das bestätigt, könnte das bedeuten, dass es eine noch unentdeckte Art Neutrinos gibt. Das würde das Verständnis der Menschheit der grundlegenden Wechselwirkungen von Teilchen in den ersten Sekunden nach dem Urknall verändern.

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Ferne Neutrinos unter dem Eis der Antarktis aufgespürt

Oben ist ein Bild des IceCube-Observatoriums im Eis der Antarktis. Darunter ist eine Illustration der Detektoren, die Teilchen messen. Sie sind im Eis eingefroren.

Bildcredit: IceCube-Arbeitsgemeinschaft, U. Wisconsin, NSF

Woher kommen diese Neutrinos? Das Neutrino-Observatorium IceCube befindet sich in der Nähe des Südpols der Erde. Es begann, fast unsichtbare Teilchen mit sehr hoher Energie aufzuspüren. Diese Teilchen sind Neutrinos, die kaum mit Materie wechselwirken. Sie durchdringen kurz vor ihrer Ortung fast die ganze Erde. Es ist ein Rätsel, woher sie stammen.

Hier ist das antarktische Labor IceCube abgebildet. Die Skizze unter dem Foto zeigt lange Detektorstränge. Sie sind im kristallklaren Eis darunter eingefroren.

Mögliche Quellen der kosmischen Neutrinos sind die stürmische Umgebung sehr massereicher Schwarzer Löcher. Sie befinden sich in den Zentren ferner Galaxien. Vielleicht stammen die Neutrinos auch von gewaltigen Sternexplosionen wie Supernovae oder Gammablitzen im fernen Universum, die ihren Höhepunkt erreichen. Wenn IceCube künftig immer mehr energiereiche Neutrinos aufspürt, lösen wohl Übereinstimmungen mit bekannten Objekten dieses kosmische Rätsel. Vielleicht erfahren wir es aber auch nie.

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Eisfischen nach kosmischen Neutrinos

Das Bild zeigt den Blick in ein Bohrloch, in dessen Mitte eine lange Stange verschwindet. Das Schmelzloch führt tief ins Eis und ist oben mit silbrig reflektierendem Material verkleidet.

Credit: NSF / B. Gudbjartsson, IceCube-Zusammenarbeit

Beschreibung: Forschende schmelzen Löcher in das Eis am unteren Ende der Welt. Fast 100 Löcher wurden beim Südpol geschmolzen. Sie dienen nun als astronomische Observatorien. Astronom*innenen versenkten für das IceCube-Neutrino-Observatorium einen langen Strang in jeden der tiefen, senkrechten Seen, der mit Lichtdetektoren verknotet ist. Die Detektoren sind so groß wie Basketbälle. Das Wasser in jedem Loch gefriert bald darauf wieder.

Die Detektoren an den Strängen messen blaues Licht, das im klaren Eis der Umgebung aufleuchten kann. Das Licht wird erwartet, wenn energiereiche Neutrinos von Objekten oder Explosionen draußen im Universum mit dem Eis kollidieren.

Oben wurde Ende des letzten Jahres der letzte von 86 Strängen von IceCube in den gefrierenden Abgrund versenkt. Damit ist IceCube nun der größte Neutrinodetektor, der je gebaut wurde. Aus Daten des früheren Experiments AMANDA wurde bereits die erste detailreiche Karte des sehr energiereichen Neutrinohimmels erstellt.

Zu den Zielen des neueren IceCube-Experiments gehört die Suche nach kosmischen Neutrinoquellen, weiters die Suche nach Neutrinos, die zeitgleich mit nahe gelegenen Supernovae und fernen Gammablitzen auftreten, und schließlich – mit viel Glück – ein Einblick in exotische physikalische Konzepte wie unsichtbare Raumdimensionen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit.

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