Umetnikova ilustracija blazarja, kot je bil nedavno ugotovljen, da pospešuje nevtrine in kozmične žarke do ogromne hitrosti. Supermasivna črna luknja na sredini diskrecijskega diska pošlje ozek visokoenergijski curek snovi v prostor, pravokotno na disk.
(Slika: © DESY, Science Communication Lab)
Astronomi so v svojem kozmičnem viru prvič izsledili visokoenergijski nevtrino in v tem postopku rešili stoletno skrivnost.
Nevtrini so skoraj množični subatomski delci, ki nimajo električnega naboja in zato redko komunicirajo s svojo okolico. Dejansko trilijoni teh "dušnih delcev" tečejo skozi vaše telo neopaženo in neovirano vsako sekundo.
Večina teh nevtrinov prihaja iz sonca. Toda majhen odstotek, ki se ponaša z izjemno visokimi energijami, nam je iz zelo globokega vesolja stekel na vrat gozda. Inherentna nevsiljivost nevtrinov je astronomom preprečevala, da bi določili izvor takšnih kozmičnih lutalcev - do zdaj. [Sledenje nevtrinu do izvira: Odkritje v slikah]
Opazovanja nevtrinskega observatorija IceCube na Južnem polu in množica drugih instrumentov so raziskovalcem omogočili sledenje enega kozmičnega nevtrina do daljnega blazarja, ogromne eliptične galaksije s hitro vrtečo se supermasivno črno luknjo v srcu.
In še več je. Kozmični nevtrini gredo z roko v roki s kozmičnimi žarki, visoko energijskimi nabitimi delci, ki se neprestano zaletavajo v naš planet. Torej, novo najdemo blazarje kot pospeševalce vsaj nekaterih najhitreje premikajočih se kozmičnih žarkov.
Astronomi so se spraševali o tem, odkar so bili prvič odkriti kozmični žarki, že leta 1912. Vendar jih je ovirala nabita narava delcev, ki narekuje, da se kozmični žarki na ta način zategujejo in da se različni predmeti, ko se pomikajo po vesolju. Uspeh se je končno zgodil z uporabo naravnega potovanja delcev duha sopotnika.
"Vire kozmičnih žarkov smo iskali že več kot stoletje in končno smo ga našli," je za Space sporočil Francis Halzen, vodilni znanstvenik v Nevtrinskem observatoriju IceCube in profesor fizike na univerzi Wisconsin-Madison. com. [Čudaška fizika: najbolj kul mali delci v naravi]
Skupinski napor
IceCube, ki jo upravlja ameriška Nacionalna znanstvena fundacija (NSF), je namenski lovec na nevtrine. Objekt je sestavljen iz 86 kablov, ki se prilegajo v vrtine, ki se raztezajo približno 1,5 milje (2,5 kilometra) v led na Antarktiki. Vsak kabel ima 60 digitalnih optičnih modulov v košarki, ki so opremljeni z občutljivimi detektorji svetlobe.
Ti detektorji so zasnovani tako, da pobirajo značilno modro svetlobo, ki se oddaja po interakciji nevtrina z atomskim jedrom. (To svetlobo odvrže sekundarni delček, ki je nastal med interakcijo. In v primeru, da bi se spraševali: Ves ta ledeni led preprečuje, da bi delci, razen nevtrinov, prišli do detektorjev in umazali podatke.) To so redki dogodki; Halzen je opazil le nekaj sto nevtrinov na leto, je dejal Halzen.
Objekt je že veliko prispeval k astronomiji. Leta 2013 je na primer IceCube prvič potrdil odkrivanje nevtrinov izven galaksije Mlečna pot. Raziskovalci takrat niso mogli določiti vira teh visokoenergijskih delcev duha.
22. septembra 2017 pa je IceCube pobral še en kozmični nevtrino. Bil je izjemno energičen, saj je napolnil približno 300 teraelektronskih voltov - skoraj 50-krat večjo od energije protonov, ki so se vozili skozi najmočnejši zemeljski pospeševalnik delcev, Veliki hadronski trkalnik.
V 1 minuti odkritja je objekt poslal samodejno obvestilo in opozoril ostale astronome na najdbo ter napeljal koordinate na nebesni obliž, za katerega se je zdelo, da je izvor delca.
Skupnost se je odzvala: Skoraj 20 teleskopov na tleh in v vesolju je opazilo ta pas preko elektromagnetnega spektra, od nizkoenergijskih radijskih valov do visokoenergetskih gama-žarkov. Kombinirana opazovanja so izsledila nevtrino izvor do že znanega blazarja, imenovanega TXS 0506 + 056, ki leži približno 4 milijarde svetlobnih let od Zemlje.
Na primer, nadaljnja opazovanja več različnih instrumentov - vključno z NASA-ino vesoljsko teleskopsko teleskopijo Fermi Gama in glavnim atmosferskim gama-slikanjem Čerenkov teleskop (MAGIC) na Kanarskih otokih - so razkrili močan nalet svetlobe gama-žarkov, ki se žali iz TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: Fotografije Nasinega vesoljskega teleskopa Fermi]
Ekipa IceCube je prešla tudi svoje arhivske podatke in našla več kot ducat drugih kozmičnih nevtrinov, za katere se zdi, da prihajajo iz istega blazarja. Te dodatne delce so detektorji pobrali od konca leta 2014 do začetka leta 2015.
"Vsi kosi se skladajo skupaj," je v izjavi povedal Albrecht Karle, višji znanstvenik IceCube in profesor fizike UW-Madison. "Nevtrinsko bliskanje v naših arhivskih podatkih je postalo neodvisna potrditev. Skupaj z opazovanji drugih opazovalnic je prepričljiv dokaz, da je ta blazer vir izjemno energijskih nevtrinov in s tem visoko energijskih kozmičnih žarkov."
O teh ugotovitvah poročajo v dveh novih študijah, objavljenih danes na spletu (12. julija) v reviji Science. Tu jih najdete tukaj in tukaj.
Multimedijska astrofizika v porastu
Blazarji so posebna vrsta superluminaste aktivne galaksije, ki izstreli dvojne curke svetlobe in delcev, od katerih je eden usmerjen neposredno na Zemljo. (To je delno zato, ker se nam zdijo blazarji tako svetli - ker smo v vrsti reaktivnega ognja.)
Astronomi so identificirali več tisoč blazarjev po vsem vesolju, za nobenega od teh pa še ni bilo ugotovljeno, da bi tolkel nevtrine pri nas, kot je TXS 0506 + 056.
"Nekaj posebnega je v tem viru in ugotoviti moramo, kaj je to," je Halzen povedal za Space.com.
To je samo eno od mnogih vprašanj, ki so jih sprožili novi rezultati. Na primer, Halzen bi rad poznal tudi mehanizem za pospeševanje: Kako natančno blazari dobijo nevtrine in kozmične žarke do tako velike hitrosti?
Halzen je izrazil optimizem glede odgovorov na taka vprašanja v razmeroma bližnji prihodnosti in navajal moč "multimessenger astrofizike" - uporabo vsaj dveh različnih vrst signalov za zasliševanje kozmosa - v obeh novih študijah.
Odkritje nevtrinov natančno sledi za petami druge multimedijske mejnike: Oktobra 2017 so raziskovalci objavili, da so analizirali trk med dvema superzgostimi nevtronskimi zvezdami z opazovanjem tako elektromagnetnega sevanja kot gravitacijskih valov, ki se oddajajo med dramatičnim dogodkom.
"Doba multimedijske astrofizike je tu," je v isti izjavi dejala direktorica NSF France Cordova. "Vsak glasnik - od elektromagnetnega sevanja, gravitacijskih valov in zdaj nevtrinov - nam daje popolnejše razumevanje vesolja in pomembna nova spoznanja najmočnejših predmetov in dogodkov na nebu."
