Tähtitieteilijät ovat jäljittäneet korkea-energisen neutriinon ensimmäistä kertaa kosmiseen lähteeseensä ja ratkaisseet samalla vuosisatoja vanhan mysteerin.
Neutriinot ovat melkein massattomia subatomisia hiukkasia, jotka eivät ole sähköisesti varautuneita ja jotka sen vuoksi vuorovaikuttavat vain harvoin ympäristönsä kanssa. Itse asiassa triljoonat näistä ”aavehiukkasista” virtaavat kehosi läpi huomaamatta ja esteettä joka sekunti.
Suurin osa näistä neutriinoista tulee auringosta. Mutta pieni osa, jotka ylpeilevät erittäin suurilla energioillaan, on räjähtänyt tänne niskaamme hyvin syvältä avaruudesta. Neutriinojen luontainen vaikeaselkoisuus on estänyt tähtitieteilijöitä selvittämästä näiden kosmisten vaeltajien alkuperää – tähän asti.
Etelänavalla sijaitsevan IceCube-neutriinoobservatorion ja lukuisten muiden instrumenttien avulla tutkijat pystyivät jäljittämään yhden kosmisen neutriinon kaukaiseen blazariin, valtavaan ellipsinmuotoiseen galaksiin, jonka sydämessä on nopeasti pyörivä supermassiivinen musta aukko.
Ja vielä lisää. Kosmiset neutriinot kulkevat käsi kädessä kosmisten säteiden kanssa, erittäin energeettisten varattujen hiukkasten kanssa, jotka törmäävät planeettaamme jatkuvasti. Uusi löytö osoittaa siis, että myös blazarit ovat ainakin joidenkin nopeimmin liikkuvien kosmisten säteiden kiihdyttäjiä.
Tähtitieteilijät ovat ihmetelleet tätä siitä asti, kun kosmiset säteet löydettiin ensimmäisen kerran, jo vuonna 1912. Heitä on kuitenkin estänyt hiukkasten varautunut luonne, joka sanelee, että kosmiset säteet joutuvat erilaisten kohteiden vetämiksi sinne sun tänne, kun ne kiitävät avaruuden halki. Onnistuminen tuli lopulta käyttämällä matkatoverin aavehiukkasen suoraviivaista matkaa.
”Olemme etsineet kosmisten säteiden lähteitä yli vuosisadan ajan, ja vihdoin löysimme yhden”, IceCube-neutriinoobservatorion johtava tutkija ja Wisconsin-Madisonin yliopiston fysiikan professori Francis Halzen kertoi Space.comille.
Ryhmätyönä
IceCube, jota hallinnoi Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö (NSF), on omistautunut neutriinojen metsästäjäksi. Laitteisto koostuu 86 kaapelista, jotka pesivät porausreikien sisällä, jotka ulottuvat noin 1,5 mailin (2,5 kilometrin) päähän Etelämantereen jäähän. Jokaisessa kaapelissa on puolestaan 60 koripallon kokoista ”digitaalista optista moduulia”, jotka on varustettu herkillä valonilmaisimilla.
Nämä ilmaisimet on suunniteltu havaitsemaan neutriinoille ominaista sinistä valoa, joka säteilee neutriinojen vuorovaikutuksessa atomin ytimen kanssa. (Tämän valon säteilee vuorovaikutuksessa syntynyt sekundäärihiukkanen. Ja siltä varalta, että ihmettelit: Kaikki tuo jää estää muita hiukkasia kuin neutriinoja pääsemästä detektoreihin ja sotkemasta tietoja). Nämä ovat harvinaisia tapahtumia; IceCube havaitsee vain parisataa neutriinoa vuodessa, Halzen sanoi.
Laitos on jo antanut suuren panoksen tähtitieteeseen. Esimerkiksi vuonna 2013 IceCube teki kaikkien aikojen ensimmäisen vahvistetun havainnon neutriinoista Linnunradan ulkopuolelta. Tutkijat eivät tuolloin pystyneet määrittämään näiden suurienergisten haamuhiukkasten lähdettä.
22. syyskuuta 2017 IceCube havaitsi kuitenkin toisen kosmisen neutriinon. Se oli äärimmäisen energinen, sillä siinä oli noin 300 teraelektronivolttia – lähes 50 kertaa enemmän energiaa kuin maapallon tehokkaimmassa hiukkaskiihdyttimessä, Large Hadron Colliderissa, pyörivissä protoneissa.
Minuutin sisällä havainnosta laitos lähetti automaattisen ilmoituksen, jossa se varoitti muita tähtitieteilijöitä havainnosta ja välitti koordinaatit siihen taivaankappaleeseen, joka näytti kätkevän sisäänsä hiukkasen lähteen.
Yhteisö vastasi: Lähes 20 teleskooppia maassa ja avaruudessa tutki tuota laikkua läpi koko sähkömagneettisen spektrin matalaenergisistä radioaalloista korkeaenergisiin gammasäteisiin. Yhdistetyt havainnot jäljittivät neutriinon alkuperän jo ennestään tunnettuun blazariin nimeltä TXS 0506+056, joka sijaitsee noin 4 miljardin valovuoden päässä Maasta.
Seurantahavainnot useilla eri instrumenteilla – mukaan lukien NASA:n Maassa kiertävä Fermi-avaruusteleskooppi (Fermi Gamma-ray Space Telescope) ja Kanariansaarilla sijaitseva MAGIC-teleskooppi (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope, Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope, MAGIC) -sääteleskooppi – paljastivat voimakkaan gammasäteilyn valonpurkauksen, joka tuli esiin TXS 0506+056:sta.
IceCube-ryhmä kävi läpi myös arkistoidut tietonsa ja löysi yli tusinan verran muita kosmisia neutriinoja, jotka näyttivät tulevan samasta blazarista. Nämä ylimääräiset hiukkaset havaittiin detektoreilla loppuvuodesta 2014 alkuvuoteen 2015.
”Kaikki palaset sopivat yhteen”, sanoo Albrecht Karle, vanhempi IceCube-tutkija ja UW-Madisonin fysiikan professori, lausunnossaan. ”Arkistodatassamme olevasta neutriinopurkauksesta tuli riippumaton vahvistus. Yhdessä muiden observatorioiden havaintojen kanssa se on vakuuttava todiste siitä, että tämä blazar on äärimmäisen energeettisten neutriinojen ja siten korkeaenergisten kosmisten säteiden lähde.”
Havainnot raportoidaan kahdessa uudessa tutkimuksessa, jotka on julkaistu verkossa tänään (12. heinäkuuta) Science-lehdessä. Löydät ne täältä ja täältä.
Multimessenger-astrofysiikka nousussa
Blasaarit ovat erityyppisiä superloistavia aktiivisia galakseja, jotka pamauttavat ulos kaksoissuihkuja valoa ja hiukkasia, joista toinen on suunnattu suoraan Maahan. (Osittain siksi blazarit näkyvät meille niin kirkkaina – koska olemme suihkun tulilinjalla.)
Tähtitieteilijät ovat tunnistaneet useita tuhansia blazareja eri puolilla maailmankaikkeutta, mutta minkään niistä ei ole vielä havaittu heittelevän meille neutriinoja kuten TXS 0506+056.
”Tässä lähteessä on jotain erityistä, ja meidän on selvitettävä, mitä se on”, Halzen sanoi Space.comille.
Tämä on vain yksi monista kysymyksistä, joita uudet tulokset herättävät. Halzen haluaisi esimerkiksi tietää myös kiihdytysmekanismin: Miten tarkalleen ottaen blazarit saavat neutriinot ja kosmiset säteet nousemaan niin valtaviin nopeuksiin?
Halzen ilmaisi olevansa optimistinen, että tällaisiin kysymyksiin vastataan suhteellisen lähitulevaisuudessa, ja viittasi ”multimessenger-astrofysiikan” – vähintään kahden erityyppisen signaalin käytön kosmoksen tutkimiseen – voimaan, joka on esillä kahdessa uudessa tutkimuksessa.
Neutriinolöytö seuraa tiiviisti toisen multimessenger-maamerkin perässä: Lokakuussa 2017 tutkijat ilmoittivat analysoineensa kahden supertiheän neutronitähden törmäyksen havainnoimalla sekä sähkömagneettista säteilyä että gravitaatioaaltoja, joita dramaattisen tapahtuman aikana lähetettiin.
”Multimessenger-astrofysiikan aikakausi on koittanut”, NSF:n johtaja France Cordova sanoi samassa lausunnossa. ”Jokainen sanansaattaja – sähkömagneettisesta säteilystä, gravitaatioaalloista ja nyt myös neutriinoista – antaa meille täydellisemmän ymmärryksen maailmankaikkeudesta ja tärkeitä uusia oivalluksia taivaan voimakkaimmista kohteista ja tapahtumista.”
Seuraa Mike Wallia Twitterissä @michaeldwall ja Google+:ssa. Seuraa meitä @Spacedotcom, Facebook tai Google+. Julkaistu alun perin Space.com-sivustolla.