Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

Die kosmische Detektivgeschichte: Auf der Jagd nach Geistern und Wellen

Stellen Sie sich das Universum wie einen riesigen, chaotischen Konzertsaal vor. Lange Zeit konnten wir die Musik nur mit unseren Ohren hören – durch das Aufspüren von Licht, Radiowellen und Röntgenstrahlen. Doch im Jahr 2015 bauten wir schließlich ein neues Instrument, das in der Lage war, die Vibrationen des Saals selbst zu „fühlen“. Dies sind Gravitationswellen: Kräuselungen im Gefüge von Raum und Zeit, die durch massive Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne verursacht werden, wenn diese kollidieren. Es ist, als würde man den Boden beben spüren, wenn eine riesige Trommel geschlagen wird, selbst wenn man den Schlagzeuger nicht sehen kann.

Gleichzeitig gibt es andere kosmische Boten, die Neutrinos genannt werden. Dies sind winzige, geisterhafte Teilchen, die fast ohne Kollisionen durch das Universum sausen. Sie entstehen bei den gewaltigsten Explosionen im Kosmos, wie etwa beim Sterben massiver Sterne. Da sie so schwer einzufangen sind, ist das Finden eines einzelnen Neutrinos vergleichbar mit dem Versuch, ein einzelnes, spezifisches Sandkorn in einem Sandsturm zu entdecken.

Wissenschaftler stehen vor einer großen Frage: Treten diese beiden Dinge gemeinsam auf? Wenn ein massiver Stern explodiert oder zwei tote Sterne verschmelzen, senden sie dann gleichzeitig sowohl einen gravitativen „Wumms“ als auch ein hochenergetisches Neutrino-„Gespenst“ aus? Wenn wir beides von demselben Ereignis einfangen könnten, wäre das so, als würde man den Trommelschlag hören und gleichzeitig das Blinken des Schlagzeugers sehen. Dies würde bestätigen, welche Art von kosmischer Gewalt genau das Signal erzeugt hat. In dieser Arbeit geht es um ein Team von Astronomen, das versucht, diese beiden Boten auf frischer Tat zu ertappen, indem es die empfindlichsten Detektoren der Welt nutzt.

Die große kosmische Jagd

In dieser Studie agierte ein Forscherteam wie kosmische Detektive und suchte nach einer ganz bestimmten Art von Tatort: einem hochenergetischen Neutrino, das vom IceCube-Observatorium in der Antarktis detektiert wurde. IceCube ist ein massiver Detektor, der tief im Eis vergraben ist und darauf wartet, dass diese geisterhaften Neutrinos mit einem Atom kollidieren und einen blauen Lichtblitz erzeugen. Wenn IceCube ein vielversprechendes Neutrino entdeckt, sendet es einen Alarm aus, der besagt: „Hey, da drüben ist etwas Großes passiert!“

Die Aufgabe des Teams bestand darin, die Daten der Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo zum exakten Zeitpunkt und aus der exakten Richtung dieses Neutrino-Alarms zu untersuchen. Sie wollten sehen, ob die Detektoren zur selben Zeit eine Kräuselung in der Raumzeit gespürt hatten. Stellen Sie sich das so vor: Wenn IceCube einen Schrei aus einem bestimmten Haus hört, sind die Gravitationswellendetektoren die Nachbarn, die prüfen, ob sie im selben Moment den Boden beben gespürt haben.

Die Forscher suchten nicht nur nach einer spezifischen Art von Kollision, wie etwa der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Sie führten eine „generische“ Suche durch, was so ist, als würde man auf jedes seltsame Geräusch hören – egal, ob es ein Krach, ein Knall oder ein merkwürdiges Summen ist. Sie untersuchten die Daten von 23 Neutrino-Alarmen, die IceCube während der dritten großen Beobachtungsphase der Detektoren (bekannt als O3) ausgesendet hatte. Sie überprüften die Daten in einem Zeitfenster von 500 Sekunden vor dem Eintreffen des Neutrinos bis 500 Sekunden danach, falls die Signale nicht exakt im selben Bruchteil einer Sekunde eintrafen.

Das Urteil: Stille im kosmischen Saal

Nachdem sie ihre hochkomplexen Analysen durchgeführt hatten, fanden die Forscher... nichts. Oder besser gesagt: Sie fanden keine Beweise für ein Gravitationswellensignal, das stärker als das zufällige Hintergrundrauschen gewesen wäre. Es ist, als hätte man einen Schrei aus einem Haus gehört, aber als man den Boden überprüfte, war er vollkommen ruhig.

Die Arbeit schließt die Möglichkeit explizit aus, dass diese spezifischen Neutrino-Ereignisse durch die Arten von heftigen Verschmelzungen oder Explosionen verursacht wurden, die starke Gravitationswellen innerhalb der Entfernungen erzeugen würden, die unsere Detektoren erfassen können. Sie haben keinen „rauchenden Colt“ gefunden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Neutrinos nicht real waren; es bedeutet lediglich, dass, falls sie durch eine kosmische Explosion verursacht wurden, diese Explosion keine Gravitationswelle aussandte, die stark genug für unsere derzeitigen Detektoren gewesen wäre, oder dass sie zu weit entfernt stattfand.

Um sicher zu sein, führten die Forscher Simulationen durch. Sie gaben vor, gefälschte Gravitationswellensignale in die Daten einzuspeisen, um zu sehen, wie weit entfernt eine Quelle sein könnte und dennoch noch wahrgenommen werden würde. Sie fanden heraus, dass sie eine Verschmelzung zweier Neutronensterne (das Aufeinanderprallen zweier toter Sterne) gesehen hätten, wenn diese innerhalb von etwa 30 bis 60 Millionen Lichtjahren (30–60 Mpc) stattgefunden hätte. Bei einem Schwarzen Loch, das einen Neutronenstern verschlingt, hätten sie eine Reichweite von etwa 70 bis 140 Millionen Lichtjahren (70–140 Mpc) gehabt. Für andere, exotischere Arten von Signalen variierte ihre Reichweite von einigen Zehn bis zu einigen hundert Millionen Lichtjahren.

Da sie keine Signale innerhalb dieser Entfernungen fanden, legten sie „Ausschlussgrenzen“ fest. Dies ist eine fachsprachliche Art zu sagen: „Wir sind uns zu 90 % sicher, dass wir eine Quelle wie diese innerhalb dieser Entfernung gesehen hätten, falls sie existiert hätte. Da wir nichts gefunden haben, war sie wahrscheinlich nicht da.“

Das Team merkte auch an, dass ihre Suche „unmodelliert“ war, was bedeutet, dass sie nach jeder Form von Welle suchten und nicht nur nach dem spezifischen Muster zweier Sterne, die umeinander kreisen. Dies macht die Suche weniger empfindlich als eine gezielte Suche nach bekannten Ereignissen, ermöglicht es ihnen aber, auch seltsame, unerwartete Signale zu erfassen. Die Tatsache, dass sie nichts fanden, deutet darauf hin, dass entweder die Neutrinos von Quellen stammten, die keine Gravitationswellen erzeugen, oder dass die Quellen schlichtweg zu weit entfernt waren, als dass unsere derzeitige Technologie die Kräuselungen fühlen konnte.

Was kommt als Nächstes?

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass diese spezifische Jagd zwar ergebnislos blieb, die Methode aber funktioniert und die Detektoren immer besser werden. Das Team weist darauf hin, dass sie in zukünftigen Beobachtungsphasen in der Lage sein werden, nach anderen Arten von Neutrino-Ereignissen (genannt „Cascade“-Alarme) zu suchen, die noch wahrscheinlicher aus den Tiefen des Weltraums stammen. Sie erwähnen auch, dass bald ein neuer Katalog von Alarmen mit besserer Richtungsbestimmung verfügbar sein wird, der ihnen helfen wird, ihre Suche präziser auszurichten.

Vorerst bleibt der kosmische Saal hinsichtlich dieser spezifischen Neutrinos still. Aber die Suche geht weiter, und mit jedem neuen Durchlauf der Detektoren hören die Forscher ein Stück genauer hin, in der Hoffnung, eines Tages diesen perfekten, gleichzeitigen Schrei und das Beben vom Rande des Universums einzufangen.