Astronomii au localizat pentru prima dată un neutrino de mare energie până la sursa sa cosmică, rezolvând astfel un mister vechi de un secol.

Neutrinii sunt particule subatomice aproape fără masă, care nu au sarcină electrică și, prin urmare, interacționează rar cu mediul înconjurător. Într-adevăr, mii de miliarde de aceste „particule fantomă” trec prin corpul dumneavoastră neobservate și nestingherite în fiecare secundă.

Cei mai mulți dintre acești neutrini provin de la soare. Dar un mic procent, care se laudă cu energii extrem de mari, au ajuns până în colțul nostru din spațiul foarte adânc. Caracterul insesizabil inerent al neutrinilor i-a împiedicat pe astronomi să stabilească cu exactitate originea acestor rătăcitori cosmici – până acum.

Observațiile efectuate de Observatorul de neutrini IceCube de la Polul Sud și de o serie de alte instrumente au permis cercetătorilor să urmărească un neutrino cosmic până la un blazar îndepărtat, o galaxie eliptică uriașă cu o gaură neagră supermasivă care se rotește rapid în inima sa.

Și mai este și altceva. Neutrinii cosmici merg mână în mână cu razele cosmice, particule încărcate foarte energetice care se lovesc continuu de planeta noastră. Așadar, noua descoperire face ca blazoarele să fie, de asemenea, acceleratori ai cel puțin unora dintre cele mai rapide raze cosmice.

Astronomii s-au întrebat despre acest lucru încă de la prima descoperire a razelor cosmice, în 1912. Dar ei au fost zădărnicite de natura încărcată a particulelor, care dictează că razele cosmice sunt trase încoace și încolo de diverse obiecte în timp ce se deplasează prin spațiu. Succesul a venit, în cele din urmă, prin folosirea călătoriei în linie dreaptă a unei particule fantomă colege de drum.

„Căutăm sursele de raze cosmice de mai bine de un secol și, în cele din urmă, am găsit una”, a declarat pentru Space.com Francis Halzen, cercetător principal la IceCube Neutrino Observatory și profesor de fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison.

Un efort de echipă

IceCube, care este gestionat de Fundația Națională pentru Știință a SUA (NSF), este un vânător de neutrini dedicat. Instalația este formată din 86 de cabluri, care se cuibăresc în găuri de foraj care se întind pe o distanță de aproximativ 2,5 kilometri (1,5 mile) în gheața antarctică. Fiecare cablu, la rândul său, conține 60 de „module optice digitale” de mărimea unei mingi de baschet, care sunt echipate cu detectoare de lumină sensibile.

Aceste detectoare sunt concepute pentru a capta lumina albastră caracteristică emisă după ce un neutrino interacționează cu un nucleu atomic. (Această lumină este emisă de o particulă secundară creată în urma interacțiunii. Și în caz că vă întrebați: Toată acea gheață suprapusă împiedică alte particule decât neutrinii să ajungă la detectoare și să murdărească datele). Acestea sunt evenimente rare; IceCube detectează doar câteva sute de neutrini pe an, a declarat Halzen.

Instalația a adus deja contribuții mari la astronomie. În 2013, de exemplu, IceCube a făcut prima detecție confirmată vreodată de neutrini de dincolo de galaxia Calea Lactee. Cercetătorii nu au reușit să stabilească sursa acestor particule fantomă de înaltă energie la momentul respectiv.

La 22 septembrie 2017, însă, IceCube a detectat un alt neutrino cosmic. Acesta a fost extrem de energetic, având aproximativ 300 teraelectroni-volți – de aproape 50 de ori mai mare decât energia protonilor care circulă prin cel mai puternic accelerator de particule de pe Pământ, Large Hadron Collider.

În mai puțin de 1 minut de la detectare, instalația a trimis o notificare automată, alertând alți astronomi cu privire la descoperire și transmițând coordonatele petei de cer care părea să găzduiască sursa particulei.

Comunitatea a răspuns: Aproape 20 de telescoape de la sol și din spațiu au cercetat acea porțiune în tot spectrul electromagnetic, de la unde radio de joasă energie până la raze gamma de înaltă energie. Observațiile combinate au urmărit originea neutrinilor până la un blazar deja cunoscut, numit TXS 0506+056, care se află la aproximativ 4 miliarde de ani-lumină de Pământ.

De exemplu, observațiile ulterioare efectuate de mai multe instrumente diferite – inclusiv Telescopul spațial Fermi Gamma-ray de pe orbita Pământului de la NASA și Telescopul Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) din Insulele Canare – au dezvăluit o explozie puternică de raze gamma care a izbucnit din TXS 0506+056.

Echipa IceCube a analizat, de asemenea, datele sale de arhivă și a găsit mai mult de o duzină de alți neutrini cosmici care păreau să provină din același blazar. Aceste particule suplimentare au fost captate de detectoare de la sfârșitul anului 2014 până la începutul anului 2015.

„Toate piesele se potrivesc”, a declarat Albrecht Karle, cercetător principal al IceCube și profesor de fizică la UW-Madison, într-o declarație. „Erupția de neutrini din datele noastre de arhivă a devenit o confirmare independentă. Împreună cu observațiile celorlalte observatoare, este o dovadă convingătoare că acest blazar este o sursă de neutrini extrem de energetici și, prin urmare, de raze cosmice de înaltă energie.”

Cele constatate sunt raportate în două noi studii publicate online astăzi (12 iulie) în revista Science. Le puteți găsi aici și aici.

Astrofizica multimessenger în creștere

Blazari sunt un tip special de galaxii active superluminoase care aruncă în aer jeturi gemene de lumină și particule, dintre care unul este îndreptat direct spre Pământ. (Acesta este, în parte, motivul pentru care blazarii ne apar atât de luminoși – pentru că ne aflăm în linia de tragere a jetului.)

Astronomii au identificat câteva mii de blazari în tot universul, dar încă nu s-a descoperit că niciunul dintre ei nu aruncă neutrini spre noi, așa cum face TXS 0506+056.

„Există ceva special la această sursă și trebuie să ne dăm seama despre ce este vorba”, a declarat Halzen pentru Space.com.

Aceasta este doar una dintre multele întrebări ridicate de noile rezultate. De exemplu, Halzen ar dori, de asemenea, să cunoască mecanismul de accelerare: Cum, mai exact, blazoarele fac ca neutrinii și razele cosmice să atingă viteze atât de mari?

Halzen și-a exprimat optimismul cu privire la răspunsul la astfel de întrebări în viitorul relativ apropiat, citând puterea „astrofizicii multimessenger” – utilizarea a cel puțin două tipuri diferite de semnale pentru a interoga cosmosul – prezentată în cele două noi studii.

Descoperirea neutrinilor urmează îndeaproape un alt reper multimessenger: În octombrie 2017, cercetătorii au anunțat că au analizat o coliziune între două stele neutronice superdense prin observarea atât a radiației electromagnetice, cât și a undelor gravitaționale emise în timpul evenimentului dramatic.

„Era astrofizicii multimessenger este aici”, a declarat directorul NSF, France Cordova, în aceeași declarație. „Fiecare mesager – de la radiațiile electromagnetice, undele gravitaționale și acum neutrinii – ne oferă o înțelegere mai completă a universului și noi informații importante despre cele mai puternice obiecte și evenimente de pe cer.”

Follow Mike Wall pe Twitter @michaeldwall și Google+. Urmăriți-ne pe @Spacedotcom, Facebook sau Google+. Publicat inițial pe Space.com.

.