Astronomer har for første gang nogensinde sporet en højenergi-neutrino til dens kosmiske kilde og har dermed løst et århundredgammelt mysterium.

Neutrinoer er næsten masseløse subatomare partikler, som ikke har nogen elektrisk ladning og derfor kun sjældent interagerer med deres omgivelser. Faktisk strømmer billioner af disse “spøgelsespartikler” ubemærket og uhindret gennem din krop hvert sekund.

De fleste af disse neutrinos kommer fra solen. Men en lille procentdel, som kan prale af ekstremt høje energier, er kommet med raketfart fra det meget dybe verdensrum til vores område. Neutrinoernes iboende flygtighed har forhindret astronomerne i at fastslå oprindelsen af sådanne kosmiske vandringsmænd – indtil nu.

Observationer fra IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen og et væld af andre instrumenter har gjort det muligt for forskerne at spore en kosmisk neutrino til en fjern blazar, en enorm elliptisk galakse med et hurtigt snurrende supermassivt sort hul i hjertet.

Og der er mere. Kosmiske neutrinoer går hånd i hånd med kosmisk stråling, meget energirige ladede partikler, der hele tiden rammer vores planet. Så det nye fund viser, at blazarer også er acceleratorer for i hvert fald nogle af de hurtigste kosmiske stråler.

Astronomer har undret sig over dette, siden de kosmiske stråler blev opdaget første gang, helt tilbage i 1912. Men de er blevet forhindret af partiklernes ladede natur, som dikterer, at de kosmiske stråler bliver trukket frem og tilbage af forskellige objekter, mens de suser gennem rummet. Succesen kom endelig ved at bruge en medrejsende spøgelsespartikels rejse i lige linje.

“Vi har ledt efter kilderne til kosmisk stråling i mere end et århundrede, og nu har vi endelig fundet en,” siger Francis Halzen, ledende videnskabsmand ved IceCube Neutrino Observatory og professor i fysik ved University of Wisconsin-Madison, til Space.com.

En holdindsats

IceCube, som forvaltes af U.S. National Science Foundation (NSF), er en dedikeret neutrinojæger. Anlægget består af 86 kabler, som ligger i borehuller, der strækker sig ca. 2,5 kilometer ned i den antarktiske is. Hvert kabel indeholder 60 “digitale optiske moduler” i basketballstørrelse, som er udstyret med følsomme lysdetektorer.

Disse detektorer er designet til at opfange det karakteristiske blå lys, der udsendes, når en neutrino interagerer med en atomkerne. (Dette lys udsendes af en sekundær partikel, der skabes ved vekselvirkningen. Og hvis du skulle undre dig: Al den overliggende is forhindrer andre partikler end neutrinoer i at nå frem til detektorerne og forplumre dataene). Det er sjældne hændelser; IceCube opdager kun et par hundrede neutrinoer om året, siger Halzen.

Anlægget har allerede ydet store bidrag til astronomien. I 2013 foretog IceCube f.eks. den første bekræftede påvisning nogensinde af neutrinos fra områder uden for Mælkevejen. Forskerne var ikke i stand til at fastslå kilden til disse højenergi-spøgelsespartikler på det tidspunkt.

Den 22. september 2017 opfangede IceCube imidlertid endnu en kosmisk neutrino. Den var ekstremt energirig og indeholdt omkring 300 teraelektronvolt – næsten 50 gange større end energien i de protoner, der cykler gennem Jordens kraftigste partikelaccelerator, Large Hadron Collider.

Men inden for et minut efter detektionen sendte anlægget en automatisk meddelelse ud og advarede andre astronomer om fundet og videregav koordinater til den del af himlen, der tilsyneladende husede partikelens kilde.

Fællesskabet reagerede: Næsten 20 teleskoper på jorden og i rummet gennemsøgte denne plet i hele det elektromagnetiske spektrum, fra lavenergi-radiobølger til højenergi-gammastråler. De kombinerede observationer sporede neutrinoens oprindelse til en allerede kendt blazar kaldet TXS 0506+056, som ligger ca. 4 milliarder lysår fra Jorden.

For eksempel afslørede opfølgende observationer fra flere forskellige instrumenter – herunder NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope, der kredser om Jorden, og Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) på De Kanariske Øer – et kraftigt udbrud af gammastråling, der blussede op fra TXS 0506+056.

IceCube-holdet gennemgik også sine arkivdata og fandt mere end et dusin andre kosmiske neutrinoer, som så ud til at komme fra den samme blazar. Disse yderligere partikler blev opfanget af detektorerne fra slutningen af 2014 til begyndelsen af 2015.

“Alle brikkerne passer sammen,” sagde Albrecht Karle, en ledende IceCube-videnskabsmand og professor i fysik ved UW-Madison, i en erklæring. “Neutrinoudbruddet i vores arkivdata blev en uafhængig bekræftelse. Sammen med observationer fra de andre observatorier er det et overbevisende bevis for, at denne blazar er en kilde til ekstremt energirige neutrinoer og dermed højenergikosmetisk stråling.”

Fundene er rapporteret i to nye undersøgelser, der er offentliggjort online i dag (12. juli) i tidsskriftet Science. Du kan finde dem her og her.

Multimessenger-astrofysik på vej frem

Blazarer er en særlig type superluminøse aktive galakser, der udsender tvillingestråler af lys og partikler, hvoraf den ene er rettet direkte mod Jorden. (Det er til dels derfor, at blazarer ser så lyse ud for os – fordi vi befinder os i strålens skudlinje.)

Astronomer har identificeret flere tusinde blazarer i hele universet, men ingen af dem har endnu vist sig at kaste neutrinos mod os, som TXS 0506+056 gør.

“Der er noget særligt ved denne kilde, og vi er nødt til at finde ud af, hvad det er,” siger Halzen til Space.com.

Det er blot et af mange spørgsmål, som de nye resultater rejser. For eksempel vil Halzen også gerne kende accelerationsmekanismen: Hvordan får blazarer helt præcist neutrinoer og kosmisk stråling op til så enorme hastigheder?

Halzen udtrykte optimisme med hensyn til at få svar på sådanne spørgsmål i en relativt nær fremtid og henviste til styrken af “multimessenger-astrofysik” – brugen af mindst to forskellige typer signaler til at udspørge kosmos – som de to nye undersøgelser viser.

Neutrinoopdagelsen følger tæt i hælene på en anden multimessenger-markør: I oktober 2017 meddelte forskerne, at de havde analyseret et sammenstød mellem to supertætte neutronstjerner ved at observere både den elektromagnetiske stråling og de gravitationsbølger, der blev udsendt under den dramatiske begivenhed.

“Tiden for multimessenger-astrofysik er kommet,” sagde NSF’s direktør France Cordova i samme udtalelse. “Hver enkelt budbringer – fra elektromagnetisk stråling, gravitationsbølger og nu også neutrinoer – giver os en mere komplet forståelse af universet og vigtig ny indsigt i de mest kraftfulde objekter og begivenheder på himlen.”

Følg Mike Wall på Twitter @michaeldwall og Google+. Følg os på @Spacedotcom, Facebook eller Google+. Oprindeligt offentliggjort på Space.com.