Astronomer har för första gången någonsin spårat en högenergi-neutrino till dess kosmiska källa och därmed löst ett hundra år gammalt mysterium.

Neutrinos är nästan masslösa subatomära partiklar som inte har någon elektrisk laddning och som därför interagerar mycket sällan med sin omgivning. Faktum är att biljoner av dessa ”spökpartiklar” strömmar genom din kropp obemärkt och obehindrat varje sekund.

De flesta av dessa neutriner kommer från solen. Men en liten andel, som kan skryta med extremt höga energier, har rusat till vår närhet från mycket djupa rymden. Neutrinos inneboende svårfångade egenskaper har hindrat astronomer från att fastställa ursprunget till dessa kosmiska vandrare – tills nu.

Observationer från IceCube Neutrino Observatory vid Sydpolen och en mängd andra instrument gjorde det möjligt för forskarna att spåra en kosmisk neutrino till en avlägsen blazar, en enorm elliptisk galax med ett snabbt snurrande supertungt svart hål i hjärtat.

Och det finns mer. Kosmiska neutriner går hand i hand med kosmisk strålning, mycket energirika laddade partiklar som ständigt smäller in i vår planet. Det nya fyndet visar att blazarer också är acceleratorer för åtminstone en del av den snabbaste kosmiska strålningen.

Astronomer har funderat på detta sedan kosmisk strålning upptäcktes för första gången, redan 1912. Men de har hindrats av partiklarnas laddade natur, som dikterar att kosmisk strålning dras hit och dit av olika objekt när de susar genom rymden. Till slut lyckades man genom att använda sig av en spökpartikels medresande spökpartikels raksträcka.

”Vi har letat efter källorna till kosmisk strålning i mer än ett sekel, och nu har vi äntligen hittat en”, säger Francis Halzen, ledande vetenskapsman vid IceCube Neutrino Observatory och professor i fysik vid University of Wisconsin-Madison, till Space.com.

En laginsats

IceCube, som förvaltas av USA:s National Science Foundation (NSF), är en dedikerad neutrinojägare. Anläggningen består av 86 kablar som ligger i borrhål som sträcker sig cirka 2,5 kilometer ner i den antarktiska isen. Varje kabel innehåller i sin tur 60 basketbollstora ”digitala optiska moduler” som är utrustade med känsliga ljusdetektorer.

Dessa detektorer är utformade för att fånga upp det karakteristiska blå ljuset som sänds ut efter att en neutrino interagerar med en atomkärna. (Detta ljus avges av en sekundärpartikel som skapas av interaktionen. Och om du undrar: All den överliggande isen hindrar andra partiklar än neutriner från att nå detektorerna och smutsa ner data). Detta är sällsynta händelser; IceCube upptäcker bara ett par hundra neutriner per år, säger Halzen.

Anläggningen har redan gett stora bidrag till astronomin. År 2013 gjorde IceCube till exempel den första bekräftade upptäckten någonsin av neutriner från andra sidan Vintergatan. Forskarna kunde då inte fastställa källan till dessa högenergetiska spökpartiklar.

Den 22 september 2017 upptäckte IceCube dock ytterligare en kosmisk neutrino. Den var extremt energirik, med cirka 300 teraelektronvolt – nästan 50 gånger större än energin hos de protoner som cyklar genom jordens kraftfullaste partikelaccelerator, Large Hadron Collider.

Inom en minut efter upptäckten skickade anläggningen ut ett automatiskt meddelande, varnade andra astronomer för fyndet och vidarebefordrade koordinater till det stycke på himlen som tycktes hysa partikelns källa.

Samhället reagerade: Nästan 20 teleskop på marken och i rymden undersökte denna fläck över hela det elektromagnetiska spektrumet, från lågenergiradio-vågor till högenergigammastrålning. De kombinerade observationerna spårade neutrinoens ursprung till en redan känd blazar vid namn TXS 0506+056, som ligger cirka 4 miljarder ljusår från jorden.

Följande observationer med flera olika instrument – bland annat NASA:s rymdteleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope, som kretsar runt jorden, och Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) på Kanarieöarna – avslöjade till exempel en kraftfull explosion av gammablixtar som flammade upp från TXS 0506+056.

IceCube-teamet gick också igenom sina arkivdata och hittade mer än ett dussin andra kosmiska neutriner som verkade komma från samma blazar. Dessa ytterligare partiklar fångades upp av detektorerna från slutet av 2014 till början av 2015.

”Alla bitar passar ihop”, säger Albrecht Karle, senior IceCube-forskare och professor i fysik vid UW-Madison, i ett uttalande. ”Neutrinoflödet i våra arkivdata blev en oberoende bekräftelse. Tillsammans med observationer från de andra observatorierna är det ett övertygande bevis för att den här blazern är en källa till extremt energirika neutriner och därmed högenergikosmisk strålning.”

Fyndet rapporteras i två nya studier som publiceras online idag (12 juli) i tidskriften Science. Du hittar dem här och här.

Multimessenger astrofysik på frammarsch

Blazarer är en speciell typ av superluminösa aktiva galaxer som blåser ut dubbla strålar av ljus och partiklar, varav den ena riktas direkt mot jorden. (Det är delvis därför som blazarer ser så ljusa ut för oss – för att vi befinner oss i strålarnas eldlinje.)

Astronomer har identifierat flera tusen blazarer i hela universum, men ingen av dem har ännu visat sig kasta neutrinos mot oss som TXS 0506+056 gör.

”Det är något speciellt med den här källan och vi måste ta reda på vad det är”, säger Halzen till Space.com.

Det är bara en av många frågor som väcks av de nya resultaten. Halzen skulle till exempel också vilja veta accelerationsmekanismen: Hur exakt får blazarer neutriner och kosmisk strålning upp till sådana enorma hastigheter?

Halzen uttryckte optimism om att kunna besvara sådana frågor inom en relativt snar framtid och hänvisade till kraften i ”multimessenger-astrofysiken” – användningen av minst två olika typer av signaler för att undersöka kosmos – som visas upp i de två nya studierna.

Neutrinoupptäckten följer tätt i hälarna på en annan multimessenger-markör: I oktober 2017 meddelade forskare att de hade analyserat en kollision mellan två supertäta neutronstjärnor genom att observera både den elektromagnetiska strålning och de gravitationsvågor som sändes ut under den dramatiska händelsen.

”Ära av astrofysik med flera budbärare är här”, sade NSF:s direktör France Cordova i samma uttalande. ”Varje budbärare – från elektromagnetisk strålning, gravitationsvågor och nu neutriner – ger oss en mer fullständig förståelse av universum och viktiga nya insikter om de mest kraftfulla objekten och händelserna på himlen.”

Följ Mike Wall på Twitter @michaeldwall och Google+. Följ oss på @Spacedotcom, Facebook eller Google+. Ursprungligen publicerad på Space.com.

.