Liebe Leserinnen und Leser,
liebe Weltraumfans,

der Text über das neue Weltraumteleskop und seine wunderbare Namenspatronin Nancy Grace Roman war schon fast versandfertig – da wurde der diesjährige Physik-Nobelpreis bekannt gegeben. Der geht an den Belgier Francis Halzen, der im Eispanzer des Südpols den riesigen Neutrino-Detektor IceCube (Eiswürfel) gebaut hat – und damit die energiereichsten Prozesse im All erforschen will. Somit geht es heute um die Neutrinos – jene geisterhaften Teilchen, die sich fast lichtschnell völlig ungehindert durchs All bewegen. 

IceCube, der Eiswürfel am Südpol: Tief im ewigen Eis registrieren über 5000 Sensoren die Signale von Neutrinos aus den Tiefen des Alls (Illustration; nicht maßstabsgerecht). (IceCube/NSF)

Wenn es im Universum etwas in unendlicher Fülle gibt, dann sind das Neutrinos. Sie entstehen immer und überall: Etwa bei der Kernfusion in Sternen, beim Zerfall radioaktiver Stoffe, bei Supernova-Explosionen, bei der Kollision energiereicher Elementarteilchen und in der Umgebung Schwarzer Löcher. Während sie durch den Kosmos rasen, verlieren sie keine Energie. Und weil sie keine Ladung haben, werden sie nicht von Magnetfeldern abgelenkt. Ein Neutrino fliegt von seinem Ursprungsort ewig „geradeaus“ davon – und es geht ihm nie die Luft aus. Zahllose Neutrinos zischen seit dem Urknall durch das Universum. Das klingt nach einem wahr gewordenen Traum der Astrophysik: Neutrinos wären die perfekten kosmischen Botschafter – wären sie nur nicht so kontaktscheu. Denn das ist die Kehrseite ihrer Natur: Die Neutrinos lassen sich kaum fassen.

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Ich habe Herrn Halzen auf etlichen Tagungen erlebt und war in den Gesprächen immer beeindruckt, was für ein bescheidener Mensch er ist. Seine Neugier und Forschungsbegeisterung sind ansteckend. Als am Dienstag die Generalsekretärin der Schwedischen Königlichen Akademie der Wissenschaften erklärte, der Preis würdige in diesem Jahr „geisterhafte Botschafter aus dem Weltraum“, habe ich vor Freude gejuchzt. Vor zwei Jahren habe ich in einer Sternzeit Francis Halzen und seine Forschungsarbeit bei IceCube als „nobelpreisverdächtig“ eingeschätzt. Übrigens war mein zweiter Tipp die Entschlüsselung der Gamma Ray Bursts 1998 durch das BeppoSAX-Team um Enrico Costa, Luigi Piro und John Heise. Daran arbeitet man in Stockholm noch...

Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87, wie es das Event Horizon Telescope, ein Verbund von Radioteleskopen in aller Welt, beobachtet hat. In der heißen und hier orange-rötlich eingefärbten Umgebung des Schwarzen Lochs könnten extrem energiereiche Neutrinos entstehen. (EHT Collaboration)

Aber zurück zu IceCube: Das Team, zu dem auch viele Forscherinnen und Forscher aus Deutschland gehören, hat kilometertiefe Löcher ins Eis gebohrt und mehr als 5000 Lichtdetektoren versenkt, jeder so groß wie ein Basketball. Jeweils 60 Detektoren bilden eine lange Kette. Nach dem Einbringen der Messketten wurden die Löcher mit Wasser gefüllt, das sofort steinhart gefror. Nun dient ein Kubikkilometer Südpoleis als Neutrino-Falle!

IceCube gehen pro Jahr etwa 100.000 Neutrinos ins Netz. Fast alle stammen aus unserer Atmosphäre und sind nicht sonderlich interessant. Etwa einmal wöchentlich aber blitzt ein extrem energiereiches Neutrino im Eis auf. Manche haben rund 1000mal mehr Energie als die energiereichsten Teilchen aus Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN in Genf. Die Fachleute rätseln, welche kosmischen Prozesse die Neutrinos auf so hohe Energien bringen. Buchstäblich heiße Kandidaten sind Schwarze Löcher: In deren Umgebung geht es arg turbulent zu und das Material heizt sich stark auf – von dort strömen Unmengen an Neutrinos ins All.

Das Tolle an Neutrinos ist: Sie entkommen völlig ungehindert vom Ort des Geschehens. Manche Schwarze Löcher sind von viel Gas und Staub umgeben. „Normales“ Licht bleibt dort „gefangen“ – Neutrinos aber fliegen einfach davon. Wenn bei einer Supernova-Explosion der Kern eines massereichen Sterns kollabiert und einen Neutronenstern oder gar ein Schwarzes Loch bildet, ist das sofort ein einziges Neutrinofeuerwerk – sichtbares Licht dagegen muss sich erst mühsam durch die Sternreste ins Freie kämpfen. Diese Eigenschaft der Neutrinos ist für die Fachleute Fluch und Segen zugleich. Denn während Lichtteilchen (Photonen) unweigerlich auf einen Teleskopspiegel prallen und dort ihre Informationen preisgeben, denken Neutrinos gar nicht daran, sich so einfach aufhalten und analysieren zu lassen.

Im Zentrum der Galaxie M77 strahlt ein aktiver Kern mit Schwarzem Loch: Dort werden offenbar Neutrinos auf enorme Energien gebracht, die hin und wieder in IceCube Spuren hinterlassen. Die acht hellen Lichtstrahlen entstehen durch die Optik des Webb-Teleskops und haben nichts mit der Galaxie zu tun. (NASA/ESA/CSA)

Mit IceCube und einigen anderen Neutrino-Detektoren, etwa im Mittelmeer oder im Baikalsee, fangen die Fachleute allenfalls ein Spitzchen des Eisberges. Zudem bilden die Messinstrumente die Position des Ursprungsorts nur ungenau ab: Der Neutrinohimmel erscheint äußerst unscharf. Man kann etwa erkennen, dass das Teilchen aus der Gegend der Deichsel des Großen Wagens kam – aber nicht, dass es wenige Bogensekunden links unterhalb eines bestimmten Sterns seinen Ursprung genommen hat. Nur dann könnte man sofort mit optischen Großteleskopen an Ort und Stelle nachsehen, ob sich dort eine Galaxie mit Schwarzem Loch oder was auch immer verbirgt.

Bis heute ist es ein Rätsel, von welchen Objekten die Neutrinos Reißaus nehmen. Die Umgebung massereicher Schwarzer Löcher ist eine sehr plausible Quelle der energiereichen Neutrinos, der Nachweis aber fehlt bis heute. Ich war bei der Recherche selber überrascht, dass mit Neutrinos bisher kaum astronomische Entdeckungen gelungen sind. Aus Richtung der Galaxie Messier 77 (45 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Walfisch) hat man rund 80 Neutrinos registriert. Es spricht viel dafür, dass das Schwarze Loch mit acht Millionen Sonnenmassen das Zentrum der Galaxie so sehr aufmischt, dass die beobachteten Neutrinos entstehen. 

Zudem gibt es Hinweise, dass ein extrem energiereiches Neutrino 2018 aus einer Galaxie in fast fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung im Sternbild Orion stammt – dort haben Weltraumteleskope zeitgleich den Ausbruch eines Schwarzen Lochs registriert. Aber auch hier: Ein Nachweis ist das nicht. Mit Hilfe verbesserter Analysemethoden ließ sich in den vielen Daten das schwache Neutrinoglimmen der Ebene unserer Milchstraße nachweisen. Aber auch hier ist keine Zuordnung zu einzelnen Quellen möglich. Die Daten sagen lediglich aus, dass in der Milchstraße Neutrinos entstehen. Ein schöner Befund – so ganz überraschend ist er allerdings nicht.

Der Künstler Tim Otto Roth aus Oppenau hat vor einigen Jahren IceCube in seiner Installation „[aiskju:b]“ mit 444 illuminierten Lautsprechern sinnlich erfahrbar gemacht. Christian Spiering, Physiker am DESY in Zeuthen und an IceCube beteiligt, war begeistert. Vielleicht ist der Nobelpreis ein Anreiz, dieses wunderbare Kunstwerk noch einmal zu zeigen? (Tim Otto Roth)

Der Jubel über die „Neutrino-Astronomie“, der jetzt oft zu hören ist, ist völlig übertrieben. Der Vorsitzende des Nobelkomitees für Physik brachte es nach der Preisverkündung auf den Punkt: Man ehre eine großartige Entdeckung. Welche Rolle genau sie für die Astronomie spielt, werden wohl erst die nächsten Generationen von Physikerinnen und Physikern klären. Erst wenn die Detektoren noch viel empfindlicher sind und eine bessere Positionsbestimmung erlauben, lassen sich IceCube & Co wirklich als Teleskope nutzen. Erst dann wird das Beobachten des Kosmos mit Hilfe von Neutrinos so normal sein, wie das Beobachten von Licht mit Hubble, Webb & Co oder das Registrieren von Radiostrahlung mit der 100-Meter-Schüssel von Effelsberg in der Eifel.

Schon jetzt nutzt die Astronomie nicht mehr nur Licht – oder allgemeiner: elektromagnetische Strahlung. Gravitationswellen haben längst den Schritt vom physikalischen Experiment zur Beobachtung geschafft, ebenso Instrumente wie Auger in Argentinien, das den Teilchen (vor allem Protonen) der kosmischen Strahlung nachspürt, oder HESS in Namibia und MAGIC auf La Palma, die höchstenergetische Gammastrahlen untersuchen. Fachleute sprechen von der „Multi Messenger Astronomie“, also einer Astronomie, die viele Arten kosmischer Informationsübertragung nutzt – Licht, Teilchen, Gravitationswellen etc. Vielleicht gehören irgendwann einmal auch die Neutrinos in den astronomischen Instrumentenkasten. Erst alle Daten zusammen fügen sich zum großen Bild. Motto: Getrennt erforschen, vereint entdecken. Das ist mal einen eigenen Newsletter wert. 

Von Nancy Grace Roman, der großen Dame der NASA-Astronomie, um die es heute eigentlich gehen sollte, erzähle ich in zwei Wochen – wenn nicht wieder etwas dazwischen kommt. Ohne Frau Roman gäbe es das Hubble-Teleskop nicht. Sie hat keinen Nobelpreis bekommen, aber Nobelpreisforschung möglich gemacht – und das mit ebenso charmanter Sturheit wie der frisch gekürte Nobelpreisträger Francis Halzen sie an den Tag gelegt hat auf dem Weg zum Neutrino-Jäger im ewigen Eis.

Mit himmlischen Grüßen

Dirk Lorenzen berichtet seit mehr als 30 Jahren über Astronomie und Raumfahrt. Bei IceCube freut ihn besonders, wie vergleichsweise günstig dieses wunderbare Projekt ist: Mit nicht einmal 300 Millionen US-Dollar kostet es weniger als ein Tag Artemis-2-Mond-Mission. Ein Schnäppchen!

Die Galaxie M77, aus der offenbar ständig energiereiche Neutrinos auf uns einprasseln, ist zwar nur in einem Teleskop zu sehen. Jedoch lässt sich derzeit ihre Position am Himmel gut ausmachen. Sie steht genau zwischen Orion und Saturn im Sternbild Walfisch. Na, kribbelt es beim Beobachten...? (Stellarium)

Schnell wie das Licht und flüchtig wie ein Geist: Neutrinos sind im Teilchenzoo der Physiker die wohl seltsamsten aller Wesen. Seit kurzem sind Spezialdetektoren in der Lage, Neutrinos aus dem Inneren der Erde zu einzufangen. Was die Geoneutrinos über Vulkanismus und Kontinentalplatten verraten? Das erzählt ein spannendes Feature, das wir am Nobelpreis-Tag aus dem Archiv geholt haben.  Viel Spaß beim Hören!

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