Astronomowie po raz pierwszy w historii prześledzili drogę wysokoenergetycznego neutrina do jego kosmicznego źródła, rozwiązując przy okazji stuletnią zagadkę.

Neutrina są prawie bezmasowymi cząstkami subatomowymi, które nie mają ładunku elektrycznego i dlatego rzadko oddziałują z otoczeniem. W rzeczywistości tryliony tych „cząstek-duchów” przepływają przez twoje ciało niezauważone i bez przeszkód w każdej sekundzie.

Większość tych neutrin pochodzi ze Słońca. Ale niewielki procent, który szczyci się niezwykle wysoką energią, dotarł do nas z bardzo głębokiej przestrzeni kosmicznej. Wrodzona nieuchwytność neutrin uniemożliwiała astronomom ustalenie pochodzenia tych kosmicznych wędrowców – aż do teraz.

Obserwacje prowadzone przez Obserwatorium Neutrin IceCube na Biegunie Południowym oraz wiele innych instrumentów pozwoliły naukowcom namierzyć jedno kosmiczne neutrino do odległego blazara, ogromnej galaktyki eliptycznej z szybko wirującą supermasywną czarną dziurą w jej sercu.

I to nie wszystko. Kosmiczne neutrina idą ręka w rękę z promieniami kosmicznymi, wysokoenergetycznymi naładowanymi cząstkami, które nieustannie uderzają w naszą planetę. Tak więc nowe znalezisko wskazuje na blazary jako akceleratory przynajmniej niektórych z najszybciej poruszających się promieni kosmicznych.

Astronomowie zastanawiali się nad tym od czasu pierwszego odkrycia promieni kosmicznych, czyli od 1912 roku. Jednak na przeszkodzie stała im naładowana natura cząstek, która sprawia, że promienie kosmiczne są szarpane w tę i we w tę przez różne obiekty, gdy przemieszczają się w przestrzeni. Sukces przyszedł w końcu dzięki wykorzystaniu prostoliniowej podróży współtowarzysza cząstki-ducha.

„Szukaliśmy źródeł promieni kosmicznych przez ponad sto lat i w końcu je znaleźliśmy” – powiedział portalowi Space.com Francis Halzen, główny naukowiec w Obserwatorium Neutrin IceCube i profesor fizyki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.

Wysiłek zespołowy

IceCube, które jest zarządzane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF), jest dedykowanym łowcą neutrin. Obiekt składa się z 86 kabli, które zagnieżdżają się w otworach sięgających około 1,5 mili (2,5 kilometra) w głąb antarktycznego lodu. Każdy kabel z kolei mieści 60 „cyfrowych modułów optycznych” wielkości piłki do koszykówki, które są wyposażone w czułe detektory światła.

Te detektory są zaprojektowane tak, aby wychwycić charakterystyczne niebieskie światło emitowane po interakcji neutrina z jądrem atomowym. (Światło to jest wyrzucane przez cząstkę wtórną powstałą w wyniku interakcji. I na wypadek, gdybyś się zastanawiał: Cały ten pokrywający lód zapobiega cząstkom innym niż neutrina przed dotarciem do detektorów i zabrudzeniem danych). Są to rzadkie zdarzenia; IceCube dostrzega zaledwie kilkaset neutrin rocznie, powiedział Halzen.

Urządzenie już wniosło duży wkład do astronomii. W 2013 roku, na przykład, IceCube dokonał pierwszej w historii potwierdzonej detekcji neutrin spoza galaktyki Drogi Mlecznej. Naukowcy nie byli wtedy w stanie ustalić źródła tych wysokoenergetycznych cząstek-duchów.

Dnia 22 września 2017 roku IceCube wykrył jednak kolejne kosmiczne neutrino. Było ono niezwykle energetyczne, pakując około 300 teraelektronowoltów – prawie 50 razy więcej niż energia protonów przejeżdżających przez najpotężniejszy na Ziemi akcelerator cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów.

W ciągu 1 minuty od detekcji, urządzenie wysłało automatyczne powiadomienie, alarmując innych astronomów o znalezisku i przekazując współrzędne do skrawka nieba, który wydawał się mieścić źródło cząstki.

Społeczność zareagowała: Prawie 20 teleskopów na ziemi i w kosmosie przeczesało ten skrawek nieba w całym spektrum elektromagnetycznym, od niskoenergetycznych fal radiowych po wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. Połączone obserwacje pozwoliły namierzyć pochodzenie neutrina w znanym już blazarze o nazwie TXS 0506+056, który leży około 4 miliardy lat świetlnych od Ziemi.

Na przykład, dalsze obserwacje prowadzone przez kilka różnych instrumentów – w tym Fermi Gamma-ray Space Telescope NASA oraz Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) na Wyspach Kanaryjskich – ujawniły potężny wybuch promieniowania gamma z TXS 0506+056.

Zespół IceCube przejrzał również swoje archiwalne dane i znalazł ponad tuzin innych kosmicznych neutrin, które wydawały się pochodzić z tego samego blazara. Te dodatkowe cząstki były odbierane przez detektory od końca 2014 do początku 2015 roku.

„Wszystkie kawałki pasują do siebie,” Albrecht Karle, starszy naukowiec IceCube i profesor fizyki UW-Madison, powiedział w oświadczeniu. „Rozbłysk neutrin w naszych archiwalnych danych stał się niezależnym potwierdzeniem. Wraz z obserwacjami z innych obserwatoriów, jest to niepodważalny dowód na to, że ten blazar jest źródłem niezwykle energetycznych neutrin, a tym samym wysokoenergetycznych promieni kosmicznych.”

Znaleziska te zostały przedstawione w dwóch nowych badaniach opublikowanych online dzisiaj (12 lipca) w czasopiśmie Science. Można je znaleźć tutaj i tutaj.

Multimessenger astrophysics on the rise

Blazary są specjalnym rodzajem superjasnych aktywnych galaktyk, które wyrzucają podwójne strumienie światła i cząstek, z których jeden jest skierowany bezpośrednio na Ziemię. (To częściowo dlatego blazary wydają się nam tak jasne – ponieważ znajdujemy się na linii ognia strumienia.)

Astronomowie zidentyfikowali kilka tysięcy blazarów w całym Wszechświecie, ale żaden z nich nie został jeszcze uznany za wysyłający neutrina w naszą stronę, tak jak TXS 0506+056.

„Jest coś wyjątkowego w tym źródle i musimy dowiedzieć się co to jest,” powiedział Halzen portalowi Space.com.

To tylko jedno z wielu pytań postawionych przez nowe wyniki. Na przykład, Halzen chciałby również poznać mechanizm przyspieszania: Jak, dokładnie, blazary rozpędzają neutrina i promienie kosmiczne do tak ogromnych prędkości?

Halzen wyraził optymizm co do odpowiedzi na takie pytania w stosunkowo niedalekiej przyszłości, powołując się na moc „astrofizyki multimessenger” – wykorzystanie co najmniej dwóch różnych typów sygnałów do przesłuchania kosmosu – na wyświetlaczu w dwóch nowych badaniach.

Odkrycie neutrin następuje blisko po piętach innego przełomowego odkrycia multimessenger: W październiku 2017 r. naukowcy ogłosili, że przeanalizowali zderzenie dwóch supergęstych gwiazd neutronowych, obserwując zarówno promieniowanie elektromagnetyczne, jak i fale grawitacyjne emitowane podczas tego dramatycznego wydarzenia.

„Era astrofizyki multimessenger jest tutaj”, dyrektor NSF France Cordova powiedział w tym samym oświadczeniu. „Każdy posłaniec – od promieniowania elektromagnetycznego, fal grawitacyjnych, a teraz neutrin – daje nam pełniejsze zrozumienie wszechświata i ważne nowe spojrzenie na najpotężniejsze obiekty i wydarzenia na niebie.”

Śledź Mike’a Walla na Twitterze @michaeldwall i Google+. Śledź nas @Spacedotcom, Facebook lub Google+. Oryginalnie opublikowane na Space.com.

.