Ilustracja artysty blazara, takiego jak ta, która niedawno odkryła, że przyspiesza neutrina i promienie kosmiczne do ogromnych prędkości. Supermasywna czarna dziura pośrodku dysku akrecyjnego wysyła wąski, wysokoenergetyczny strumień materii w przestrzeń, prostopadle do dysku.
(Zdjęcie: © DESY, Science Communication Lab)
Astronomowie po raz pierwszy odnaleźli neutrino o wysokiej energii do swojego kosmicznego źródła, rozwiązując w ten sposób stuletnią tajemnicę.
Neutrina są prawie bezmasowymi cząsteczkami subatomowymi, które nie mają ładunku elektrycznego i dlatego rzadko wchodzą w interakcje z otoczeniem. Rzeczywiście, tryliony tych „cząstek-duchów” przepływają przez twoje ciało niezauważone i bez przeszkód co sekundę.
Większość tych neutrin pochodzi od słońca. Ale niewielki procent, który może pochwalić się wyjątkowo wysokimi energiami, wyskoczył na naszą szyję z bardzo głębokiej przestrzeni kosmicznej. Nieuchronna nieuchwytność neutrin uniemożliwiała astronomom ustalenie pochodzenia takich kosmicznych wędrowców - aż do teraz. [Śledzenie neutrina do jego źródła: Odkrycie na zdjęciach]
Obserwacje Obserwatorium IceCube Neutrino na Biegunie Południowym i wielu innych instrumentów pozwoliło badaczom na prześledzenie jednego kosmicznego neutrina do odległego blazara, ogromnej galaktyki eliptycznej z szybko wirującą supermasywną czarną dziurą w sercu.
I jest więcej. Kosmiczne neutrina idą w parze z promieniami kosmicznymi, wysokoenergetycznymi naładowanymi cząsteczkami, które nieustannie uderzają w naszą planetę. Tak więc, nowe znalezione blazary określają jako przyspieszacze przynajmniej niektórych z najszybciej poruszających się promieni kosmicznych.
Astronomowie zastanawiali się nad tym, odkąd promienie kosmiczne odkryto po raz pierwszy w 1912 roku. Jednak przeszkadzała im naładowana natura cząstek, która dyktuje, że promienie kosmiczne są przyciągane w ten i inny sposób przez różne obiekty podczas przesuwania się w przestrzeni. Sukces w końcu przyszedł dzięki wykorzystaniu prostej linii cząstki-ducha towarzyszącego podróżnikowi.
„Od ponad stu lat szukamy źródeł promieni kosmicznych i ostatecznie znaleźliśmy jedno” - powiedział Space, Francis Halzen, główny naukowiec w Obserwatorium IceCube Neutrino i profesor fizyki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison. com. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]
Wysiłek zespołowy
IceCube, zarządzany przez U.S. National Science Foundation (NSF), jest oddanym łowcą neutrin. Obiekt składa się z 86 kabli, które znajdują się w otworach, które rozciągają się w odległości około 1,5 mil (2,5 kilometra) w lodzie Antarktydy. Każdy kabel zawiera z kolei 60 „cyfrowych modułów optycznych” wielkości koszykówki, które są wyposażone w czułe detektory światła.
Detektory te są zaprojektowane do wychwytywania charakterystycznego niebieskiego światła emitowanego po oddziaływaniu neutrina z jądrem atomowym. (To światło jest wyrzucane przez cząstkę wtórną utworzoną przez interakcję. A gdybyś się zastanawiał: wszystko, co pokrywa lodem, uniemożliwia cząsteczkom innym niż neutrina dotarcie do detektorów i zabrudzenie danych.) Są to rzadkie zdarzenia; Halzen powiedział, że IceCube wykrywa zaledwie kilkaset neutrin rocznie.
Obiekt wniósł już duży wkład w astronomię. Na przykład w 2013 r. IceCube dokonał pierwszego potwierdzonego wykrycia neutrin spoza galaktyki Drogi Mlecznej. W tym czasie badacze nie byli w stanie określić źródła cząstek wysokoenergetycznych duchów.
Jednak 22 września 2017 r. IceCube wybrał kolejne kosmiczne neutrino. Był niezwykle energetyczny, pakując około 300 teraelektronów - prawie 50 razy więcej niż energia protonów krążących przez najpotężniejszy akcelerator cząstek na Ziemi, Wielki Zderzacz Hadronów.
W ciągu 1 minuty od wykrycia obiekt wysłał automatyczne powiadomienie, ostrzegając innych astronomów o znalezieniu i przekazując współrzędne do plamy nieba, która zdawała się zawierać źródło cząsteczki.
Społeczność odpowiedziała: prawie 20 teleskopów na ziemi i w przestrzeni przeszukało tę łatę w całym spektrum elektromagnetycznym, od niskoenergetycznych fal radiowych po wysokoenergetyczne promienie gamma. Połączone obserwacje prześledziły pochodzenie neutrina do znanego już blazara o nazwie TXS 0506 + 056, który leży około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi.
Na przykład obserwacje kilku różnych instrumentów - w tym orbitującego wokół Ziemi kosmicznego teleskopu Fermi Gamma-ray NASA i głównego atmosferycznego obrazowania gamma Teleskop Czerenkowa (MAGIC) na Wyspach Kanaryjskich - ujawniły potężny rozbłysk promieniowania gamma z TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: Photos by NASA's Fermi Space Telescope]
Zespół IceCube przejrzał również dane archiwalne i znalazł kilkanaście innych kosmicznych neutrin, które wydawały się pochodzić z tego samego blazara. Te dodatkowe cząstki były wykrywane przez detektory od końca 2014 r. Do początku 2015 r.
„Wszystkie elementy pasują do siebie” - powiedział w oświadczeniu Albrecht Karle, starszy naukowiec IceCube i profesor fizyki UW-Madison. „Flara neutrin w naszych archiwalnych danych stała się niezależnym potwierdzeniem. Wraz z obserwacjami z innych obserwatoriów przekonujące dowody na to, że ten blazar jest źródłem niezwykle energetycznych neutrin, a zatem wysokoenergetycznych promieni kosmicznych”.
Odkrycia opisano w dwóch nowych badaniach opublikowanych dzisiaj w Internecie (12 lipca) w czasopiśmie Science. Znajdziesz je tutaj i tutaj.
Astrofizyka wielu pasażerów rośnie
Blazary to specjalny rodzaj superluminatywnej galaktyki aktywnej, która wystrzeliwuje podwójne strumienie światła i cząstek, z których jeden jest skierowany bezpośrednio na Ziemię. (Po części dlatego blazary wydają się nam tak jasne - ponieważ jesteśmy w linii ognia odrzutowego).
Astronomowie zidentyfikowali kilka tysięcy blazarów we wszechświecie, z których żaden nie odkrył jeszcze, że obrzuca nas neutrinami, jak TXS 0506 + 056.
„Jest coś wyjątkowego w tym źródle i musimy dowiedzieć się, co to jest,” Halzen powiedział Space.com.
To tylko jedno z wielu pytań związanych z nowymi wynikami. Na przykład Halzen chciałby również poznać mechanizm przyspieszenia: w jaki sposób blazary uzyskują neutrina i promienie kosmiczne z tak ogromną prędkością?
Halzen wyraził optymizm co do odpowiedzi na takie pytania w stosunkowo niedalekiej przyszłości, powołując się na moc „astrofizyki wielu pasażerów” - wykorzystanie co najmniej dwóch różnych rodzajów sygnałów do przesłuchania kosmosu - pokazanych w dwóch nowych badaniach.
Odkrycie neutrin następuje tuż po piętach kolejnego punktu orientacyjnego dla wielu pasażerów: w październiku 2017 r. Naukowcy ogłosili, że przeanalizowali zderzenie dwóch superdużych gwiazd neutronowych, obserwując zarówno promieniowanie elektromagnetyczne, jak i fale grawitacyjne emitowane podczas tego dramatycznego wydarzenia.
„Era wielozadaniowej astrofizyki jest już dostępna” - powiedział dyrektor NSF France Cordova 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”.
