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Astronomie - NASA-Fermi-Teleskop hilft bei Verbindung zwischen Kosmischen Neutrons und Blazar Explosion

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30.04.2016

Nearly 10 billion years ago, the black hole at the center of a galaxy known as PKS B1424-418 produced a powerful outburst. Light from this blast began arriving at Earth in 2012. Now astronomers using data from NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope and other space- and ground-based observatories have shown that a record-breaking neutrino seen around the same time likely was born in the same event.
"Neutrinos are the fastest, lightest, most unsociable and least understood fundamental particles, and we are just now capable of detecting high-energy ones arriving from beyond our galaxy," said Roopesh Ojha, a Fermi team member at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and a coauthor of the study. "Our work provides the first plausible association between a single extragalactic object and one of these cosmic neutrinos."
Although neutrinos far outnumber all the atoms in the universe, they rarely interact with matter, which makes detecting them quite a challenge. But this same property lets neutrinos make a fast exit from places where light cannot easily escape -- such as the core of a collapsing star -- and zip across the universe almost completely unimpeded. Neutrinos can provide information about processes and environments that simply aren't available through a study of light alone.
The IceCube Neutrino Observatory, built into a cubic kilometer of clear glacial ice at the South Pole, detects neutrinos when they interact with atoms in the ice. This triggers a cascade of fast-moving charged particles that emit a faint glow, called Cerenkov light, as they travel, which is picked up by thousands of optical sensors strung throughout IceCube. Scientists determine the energy of an incoming neutrino by the amount of light its particle cascade emits.
To date, the IceCube science team has detected about a hundred very high-energy neutrinos and nicknamed some of the most extreme events after characters on the children's TV series "Sesame Street." On Dec. 4, 2012, IceCube detected an event known as Big Bird, a neutrino with an energy exceeding 2 quadrillion electron volts (PeV). To put that in perspective, it's more than a million million times greater than the energy of a dental X-ray packed into a single particle thought to possess less than a millionth the mass of an electron. Big Bird was the highest-energy neutrino ever detected at the time and still ranks second.
Where did it come from? The best IceCube position only narrowed the source to a patch of the southern sky about 32 degrees across, equivalent to the apparent size of 64 full moons.
Enter Fermi. Starting in the summer of 2012, the satellite's Large Area Telescope (LAT) witnessed a dramatic brightening of PKS B1424-418, an active galaxy classified as a gamma-ray blazar. An active galaxy is an otherwise typical galaxy with a compact and unusually bright core. The excess luminosity of the central region is produced by matter falling toward a supermassive black hole weighing millions of times the mass of our sun. As it approaches the black hole, some of the material becomes channeled into particle jets moving outward in opposite directions at nearly the speed of light. In blazars, one of these jets happens to point almost directly toward Earth.
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Fermi LAT images showing the gamma-ray sky around the blazar PKS B1424-418. Brighter colors indicate greater numbers of gamma rays. The dashed arc marks part of the source region established by IceCube for the Big Bird neutrino (50-percent confidence level). Left: An average of LAT data centered on July 8, 2011, and covering 300 days when the blazar was inactive. Right: An average of 300 active days centered on Feb. 27, 2013, when PKS B1424-418 was the brightest blazar in this part of the sky.
During the year-long outburst, PKS B1424-418 shone between 15 and 30 times brighter in gamma rays than its average before the eruption. The blazar is located within the Big Bird source region, but then so are many other active galaxies detected by Fermi.
The scientists searching for the neutrino source then turned to data from a long-term observing program named TANAMI. Since 2007, TANAMI has routinely monitored nearly 100 active galaxies in the southern sky, including many flaring sources detected by Fermi. The program includes regular radio observations using the Australian Long Baseline Array (LBA) and associated telescopes in Chile, South Africa, New Zealand and Antarctica. When networked together, they operate as a single radio telescope more than 6,000 miles across and provide a unique high-resolution look into the jets of active galaxies. 
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Radio images from the TANAMI project reveal the 2012-2013 eruption of PKS B1424-418 at a wavelength of 8.4 GHz. The core of the blazar’s jet brightened by four times, producing the most dramatic blazar outburst TANAMI has observed to date.
Credits: TANAMI
Three radio observations of PKS B1424-418 between 2011 and 2013 cover the period of the Fermi outburst. They reveal that the core of the galaxy's jet had brightened by about four times. No other galaxy observed by TANAMI over the life of the program has exhibited such a dramatic change.
"We combed through the field where Big Bird must have originated looking for astrophysical objects capable of producing high-energy particles and light," said coauthor Felicia Krauss, a doctoral student at the University of Erlangen-Nuremberg in Germany. "There was a moment of wonder and awe when we realized that the most dramatic outburst we had ever seen in a blazar happened in just the right place at just the right time."
In a paper published Monday, April 18, in Nature Physics, the team suggests the PKS B1424-418 outburst and Big Bird are linked, calculating only a 5-percent probability the two events occurred by chance alone. Using data from Fermi, NASA’s Swift and WISE satellites, the LBA and other facilities, the researchers determined how the energy of the eruption was distributed across the electromagnetic spectrum and showed that it was sufficiently powerful to produce a neutrino at PeV energies.
"Taking into account all of the observations, the blazar seems to have had means, motive and opportunity to fire off the Big Bird neutrino, which makes it our prime suspect," said lead author Matthias Kadler, a professor of astrophysics at the University of Wuerzburg in Germany.
Francis Halzen, the principal investigator of IceCube at the University of Wisconsin–Madison, and not involved in this study, thinks the result is an exciting hint of things to come. "IceCube is about to send out real-time alerts when it records a neutrino that can be localized to an area a little more than half a degree across, or slightly larger than the apparent size of a full moon," he said. "We're slowly opening a neutrino window onto the cosmos."
NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope is an astrophysics and particle physics partnership, developed in collaboration with the U.S. Department of Energy and with important contributions from academic institutions and partners in France, Germany, Italy, Japan, Sweden and the United States.
Quelle: NASA
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Update: 1.05.2016
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Erste extragalaktische Quelle für hochenergetische Neutrinos?
Koinzidenz eines Blazar-Strahlungsausbruchs und eines hochenergetischen Neutrinoereignisses
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Vor fast 10 Milliarden Jahren ereignete sich in einer weit entfernten Galaxie mit dem Namen PKS B1424-418 ein dramatischer Strahlungsausbruch, dessen Licht im Herbst 2012 die Erde erreichte. Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie konnte nun zeigen, dass sehr wahrscheinlich auch ein extrem hochenergetisches Neutrino seinen Ursprung in diesen Ausbruch hatte und zur selben Zeit die Erde erreichte.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Nature Physics" veröffentlicht.
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Der Gammahimmel im Umfeld des Blazars PKS B1424-418, aufgenommen mit dem LAT-Detektor an Bord des ... [mehr]
© NASA/DOE/LAT-Kollaboration
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Neutrinos sind die schnellsten, leichtesten und kontaktscheuesten Elementarteilchen, und es ist erst seit kurzem möglich, hochenergetische Neutrinos aus den Tiefen des Universums nachzuweisen. In der vorliegenden Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, eine mögliche Verbindung zwischen einem bestimmten extragalaktischen Objekt und einem entsprechenden kosmischen Neutrino aufzuzeigen.
Obwohl die Zahl der Neutrinos die aller Atome im Universum bei weitem übersteigt, zeigen sie kaum Wechselwirkung mit normaler Materie; dadurch stellt der Nachweis von Neutrinos eine beachtliche Herausforderung dar. Diese Eigenschaft der Neutrinos führt aber auch dazu, dass sie leicht aus Regionen entweichen können, aus denen kein Lichtsignal herauskommt - wie z.B. aus dem Zentralbereich eines kollabierenden Sterns -  und dass sie fast unbeeinflusst durch andere Materie von ihrer Quelle bis zur Erde gelangen können. Neutrinos tragen somit Informationen über kosmische Umgebungen und Prozesse, die der Untersuchung mithilfe elektromagnetischer Strahlung alleine nicht zugänglich sind.
Mit dem Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol wurden erst kürzlich Hinweise auf  kosmische Neutrinostrahlung gefunden, was von der Zeitschrift „Physics World“ zum Durchbruch des Jahres 2013 gekürt wurde. Bisher hat das IceCube-Forscherteam rund 100 hochenergetische Neutrinoereignisse identifiziert, von denen die energiereichsten Einzelereignisse mit einprägsamen Namen aus der Kinderfernseh-Serie „Sesamstraße“ belegt wurden. Am 4. Dezember 2012 wurde ein Neutrino mit einer Energie von mehr als zwei Peta-Elektronenvolt (1 PeV = 1015 eV) identifiziert, das auf den englischen Namen „Big Bird“ getauft wurde. Im Vergleich ist das so, als ob man das Billionenfache (1012) einer Röntgenaufnahme beim Zahnarzt in ein einziges Elementarteilchen packen würde, das weniger als ein Millionstel der Masse eines Elektrons aufweist. Big Bird war das seinerzeit energiereichste nachgewiesene Neutrino und steht immer noch auf dem zweiten Platz.
Von wo kommt Big Bird? Die Positionsbestimmung von IceCube war ziemlich ungenau und konnte den Entstehungsort nur auf ein recht großes Himmelsareal mit einer Fläche von ca. 64 Vollmonden eingrenzen. “Die Ausgangssituation erinnerte an einen Kriminalfall”, sagt der Hauptautor der Studie, Matthias Kadler, Professor für Astrophysik an der Universität Würzburg, “Wir waren konfrontiert mit einer Explosion ungeklärten Ursprungs, einem Verdächtigen, und einer Reihe verschiedener Indizienbeweise.”
Im Sommer 2012 wurde das Gammastrahlen-Observatorium Fermi der NASA Zeuge eines dramatischen Aufleuchtens im Zentralgebiet der aktiven Galaxie PKS B1424-418, die als Gammastrahlungs-Blazar klassifiziert ist. Eine aktive Galaxie ist eine im Prinzip normale Galaxie, die allerdings einen ungewöhnlich hellen kompakten Kernbereich aufweist. Die starke Strahlung im Zentralbereich wird durch den Einfall von Materie in ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie erzeugt, mit Millionen oder sogar Milliarden mal der Masse unserer Sonne. Ein Teil dieser einfallenden Materie kann in zwei extrem energiereiche Materiestrahlen oder Jets umgelenkt werden, die sich, gebündelt durch starke Magnetfelder, mit fast Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten. Wenn einer dieser beiden Jets nahezu direkt auf die Erde gerichtet ist, spricht man von einem Blazar.
Während des rund ein Jahr andauernden Ausbruchs war die Helligkeit von PKS B1424-418 in Gammastrahlen rund 15 bis 30mal höher als im Schnitt vor dem Ausbruch. Dieser Blazar liegt innerhalb des Suchbereichs für das Neutrinoereignis, aber das gilt auch für eine Reihe weiterer aktiver Galaxien, die von Fermi entdeckt wurden.
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Die Radiobilder aus dem TANAMI-Projekt zeigen einen Strahlungsausbruch des aktiven Galaxienkerns PKS B1424-418 
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Auf der Suche nach dem Ursprung für das Neutrinoereignis wandten sich die Wissenschaftler nun zu einem langfristigen Beobachtungsprogramm, das unter der Bezeichnung TANAMI läuft. Seit 2007 wurden im Rahmen von TANAMI rund 100 aktive Galaxien am Südhimmel systematisch überwacht, darunter eine Reihe von Galaxien, bei denen Strahlungsausbrüche mit Fermi entdeckt wurden. Drei Radiobeobachtungen aus den Jahren 2011 bis 2013 decken die Zeit des Fermi-Strahlungsausbruchs von PKS B1424-418 ab. Sie zeigen, dass die Radiostrahlung aus dem Zentralbereich des Galaxienjets in diesem Zeitraum ebenfalls fast viermal heller wurde. “Während seiner kompletten Programmlaufzeit ist im Rahmen von TANAMI bisher kein vergleichbarer Strahlungsausbruch in einer aktiven Galaxie beobachtet worden“, erklärt Eduardo Ros vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Blazare sind in der Lage, in ihren Jets Protonen auf relativistische Energien zu beschleunigen.
Durch Wechselwirkung mit Licht können im Zentralgebiet des Blazars daraus Pionen erzeugt werden. Aus deren Zerfall entstehen dann sowohl Gammastrahlen als auch Neutrinos. „Wir suchten daher in dem Feld, in dem Big Bird entstanden sein muss, nach solchen Blazaren“, erzählt Ko-Autorin Felicia Krauß, die an der Universität Erlangen-Nürnberg promoviert. „Es war ein unvergesslicher Moment, als wir realisierten, dass der dramatischste Blazarausbruch, den wir in TANAMI je gesehen hatten, genau in diesem Feld und genau zur richtigen Zeit stattgefunden hatte.“
In einer am 18. April 2016 in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichten Arbeit schlagen die Wissenschaftler vor, dass der Strahlungsausbruch von PKS B1424-418 und das Neutrinoereignis Big Bird miteinander in Verbindung stehen. Sie berechnen eine nur fünfprozentige Wahrscheinlichkeit dafür, dass beide Ereignisse nur zufällig zur gleichen Zeit und am selben Ort stattfanden. Durch die Analyse von Daten mit den NASA-Satelliten Fermi, Swift und WISE sowie dem australischen Long Baseline Array (LBA) und weiteren Beobachtungen konnten die Forscher ermitteln, wie sich die Energie des Strahlungsausbruchs über das elektromagnetische  Spektrum vom Radio- bis in den Gammabereich verteilt und daraus ableiten, dass die Gesamtenergie ausreicht, um ein Neutrino im PeV-Energiebereich zu erzeugen.
 „Der Blazar hatte während seines Strahlungsausbruchs sozusagen die nötigen Mittel, ein Motiv und auch die passende Gelegenheit. Er ist deshalb unser Hauptverdächtiger für den Ursprung des Big Bird Neutrinos.“, erklärt Matthias Kadler.
Francis Halzen, der Projektleiter von IceCube an der University of Wisconsin–Madison, der an der vorliegenden Untersuchung nicht beteiligt war, sieht in diesem Ergebnis einen spannenden Hinweis darauf, was noch in Zukunft zu erwarten ist: „Im IceCube Projekt werden nun Benachrichtigungen zu Neutrino-Ereignissen in Echtzeit herausgegeben, die auf eine Größe von nur wenig mehr als einem halben Grad Durchmesser am Himmel genau sind, also nur geringfügig größer als der Vollmond“, sagt er. „Damit öffnen wir allmählich ein Neutrino-Fenster ins Universum.“
“Diese Untersuchung zeigt die entscheidende Bedeutung von klassischen astronomischen Beobachtungen in einer Zeit, in der neue Untersuchungsmethoden wie Neutrino-Observatorien und Gravitationswellen-Detektoren uns einen bisher unbekannten Zugang zum Universum ermöglichen“, schließt Anton Zensus, Direktor und Leiter der Forschungsabteilung Radioastronomie/VLBI am MPIfR, ebenfalls Ko-Autor der Studie.
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TANAMI ist ein Forschungsprojekt, in dessen Rahmen regelmäßige Multiwellenlängenbeobachtungen aktiver Galaxien am Südhimmel erfolgen. Im Radiobereich arbeitet TANAMI mit dem australischen “Long Baseline Array” (LBA) sowie weiteren Radioteleskopen in Chile, Südafrika, Neuseeland und der Antarktis. Diese arbeiten im Verbundbetrieb als virtuelles Radioteleskop von rund 10000 km Durchmesser und ermöglichen so einen einzigartigen Einblick in die Jets von aktiven Galaxien bei hoher Winkelauflösung.
Das Neutrino-Observatorium IceCube wurde in einem Volumen von einem Kubikkilometer im klaren Gletschereis des Südpols eingebaut und detektiert Neutrinos in Wechselwirkung mit den Atomen des Eises. Dadurch wird eine Kaskade von schnellen geladenen Teilchen hervorgerufen, die einen schwachen Lichtschimmer, die sogenannte Cerenkov-Strahlung aussenden. Diese Strahlung wird von Tausenden optischer Sensoren verteilt über das Volumen von IceCube aufgefangen. Dabei bestimmen die Wissenschaftler die Energie der einfallenden Neutrinos über die Menge des von der Teilchenkaskade ausgestrahlten Lichts.
Das Gammastrahlungs-Weltraumobservatorium Fermi der NASA wird in Zusammenarbeit von Astrophysikern und Teilchenphysikern betrieben. Es wurde in Zusammenarbeit mit dem U.S. Department of Energy entwickelt, mit wichtigen Beiträgen von akademischen Einrichtungen und Partnern in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten.
Vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie beteiligte Wissenschaftler sind Eduardo Ros und J. Anton Zensus.
Quelle: MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT, MÜNCHEN
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