O ilustrație a unui artist despre un blazar precum cea recent descoperită a accelera neutrinii și razele cosmice la viteze extraordinare. Gaura neagră super-masivă din centrul discului de acumulare trimite un jet îngust de mare energie de materie în spațiu, perpendicular pe disc.
(Imagine: © DESY, Laborator de comunicare științifică)
Astronomii au urmărit pentru prima dată un neutrin de mare energie către sursa sa cosmică, rezolvând un mister vechi de un secol în acest proces.
Neutrinii sunt particule subatomice aproape fără masă, care nu au nicio sarcină electrică și, prin urmare, interacționează rar cu mediul înconjurător. Într-adevăr, trilioane din aceste „particule fantomă” îți trec prin corp neobservate și neînfrânate în fiecare secundă.
Cei mai mulți dintre acești neutrini provin din soare. Însă un procent mic, care se mândrește cu energii extrem de mari, s-a agățat până la gâtul pădurii din spațiul foarte adânc. Evaziunea inerentă a neutrinilor i-a împiedicat pe astronomi să afle originea unor astfel de rătăcitori cosmici - până în prezent. [Trasarea unui Neutrino la sursa sa: Descoperirea în imagini]
Observațiile de la IceCube Neutrino Observatory de la Polul Sud și o serie de alte instrumente au permis cercetătorilor să urmărească un neutrin cosmic până la un blazar îndepărtat, o uriașă galaxie eliptică, cu o gaură neagră supermassivă cu rotire rapidă.
Și sunt mai multe. Neutrinii cosmici merg mână în mână cu razele cosmice, particule încărcate puternic energic, care trântesc continuu pe planeta noastră. Așadar, noii găsesc blazars pegs ca acceleratori de cel puțin unii dintre razele cosmice cu cea mai rapidă mișcare.
Astronomii s-au întrebat despre asta de când au fost descoperite pentru prima dată razele cosmice, înapoi în 1912. Dar au fost zădărniciți de natura încărcată a particulelor, care dictează că razele cosmice sunt atârnate în acest fel și că de diverse obiecte în timp ce acestea fac zoom prin spațiu. În cele din urmă, succesul a venit din utilizarea călătoriei în linie dreaptă a unei particule fantomă de un coleg de călător.
„Căutăm sursele razelor cosmice de mai bine de un secol și am găsit în cele din urmă una”, a declarat pentru Space, Francisc Halzen, om de știință al Observatorului IceCube Neutrino și profesor de fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison. com. [Fizica neplăcută: cele mai cool particule mici din natură]
Un efort de echipă
IceCube, care este gestionat de Fundația Națională de Știință a SUA (NSF), este un vânător dedicat neutrinilor. Facilitatea este formată din 86 de cabluri, care se cuibăresc în foraje care se extind aproximativ 2,5 mile (2,5 kilometri) în gheața Antarctică. Fiecare cablu, la rândul său, deține 60 de module digitale optice de baschet, care sunt echipate cu detectoare de lumină sensibile.
Aceste detectoare sunt proiectate pentru a prelua lumina albastră caracteristică emisă după ce un neutrino interacționează cu un nucleu atomic. (Această lumină este aruncată de o particulă secundară creată de interacțiune. Și în cazul în care v-ați întreba: toată acea gheață supusă împiedică alte particule decât neutrinii să ajungă la detectoare și să murdărească datele.) Acestea sunt evenimente rare; Halzen a observat doar câteva sute de neutrini pe an, a spus Halzen.
Facilitatea a contribuit deja la astronomie. În 2013, de exemplu, IceCube a făcut prima detectare confirmată a neutrinilor dincolo de galaxia Căii Lactee. Cercetătorii nu au putut să identifice sursa acelor particule fantomă cu energie mare.
Totuși, pe 22 septembrie 2017, IceCube a luat un alt neutrin cosmic. A fost extrem de energic, ambalând aproximativ 300 de volți de teraelectron - de aproape 50 de ori mai mare decât energia protonilor care circulă prin cel mai puternic accelerator de particule al Pământului, Colectorul de Hadroni Mari.
În termen de 1 minut de la detectare, instalația a trimis o notificare automată, avertizând alți astronomi cu privire la găsirea și relaționarea coordonatelor către peticul de cer care părea să găzduiască sursa particulei.
Comunitatea a răspuns: Aproape 20 de telescoape la sol și în spațiu au scanat acea plasă în spectrul electromagnetic, de la undele radio cu consum redus de energie la raze gamma cu energie mare. Observațiile combinate au trasat originea neutrinoi la un blazar deja cunoscut numit TXS 0506 + 056, care se află la aproximativ 4 miliarde de ani lumină de pe Pământ.
De exemplu, observațiile ulterioare ale mai multor instrumente diferite - inclusiv Telescopul spațial cu raze Gamma de la NASA, orbitând pe Pământ, și Telescopul Cherenkov (MAGIC) din Imaginile Canare - au scos la iveală o puternică explozie de lumină cu raze gamma care se aprinde din TXS 0506 + 056. [Universul Gamma-Ray: Fotografii realizate de Telescopul Spațial Fermi de la NASA]
Echipa IceCube a trecut, de asemenea, prin datele sale de arhivă și a găsit mai mult de o duzină de alți neutrozi cosmici care păreau să provină din același blazar. Aceste particule suplimentare au fost preluate de detectori de la sfârșitul anului 2014 până la începutul anului 2015.
"Toate piesele se potrivesc", a spus Albrecht Karle, un om de știință IceCube senior și profesor de fizică UW-Madison, într-un comunicat. "Flacăra de neutrino din datele noastre de arhivă a devenit o confirmare independentă. Împreună cu observațiile din partea celorlalte observatorii, este o dovadă convingătoare pentru acest blazar a fi o sursă de neutrino-uri extrem de energetice și, prin urmare, de raze cosmice de mare energie."
Rezultatele sunt raportate în două noi studii publicate online azi (12 iulie) în revista Science. Le găsiți aici și aici.
Astrofizica multimasagerilor în creștere
Blazarsele sunt un tip special de galaxie activă superluminoasă care izbucnește jeturi gemene de lumină și particule, una dintre acestea fiind orientată direct către Pământ. (Tocmai de aceea, blazarii ni se par atât de strălucitori - pentru că ne aflăm în linia de foc cu jet).
Astronomii au identificat câteva mii de blazari în întregul univers, niciunul dintre ei încă nu s-a dovedit a fi neregulează neutrini la noi, cum ar fi TXS 0506 + 056.
"Există ceva special în această sursă și trebuie să ne dăm seama ce este", a spus Halzen pentru Space.com.
Aceasta este doar una dintre numeroasele întrebări ridicate de noile rezultate. De exemplu, Halzen ar dori, de asemenea, să cunoască mecanismul de accelerare: Cum, exact, blazii obțin neutrinos și raze cosmice până la viteze atât de extraordinare?
Halzen și-a exprimat optimismul pentru a răspunde la astfel de întrebări în viitorul relativ apropiat, citând puterea „astrofizicii multimasager” - utilizarea a cel puțin două tipuri diferite de semnale pentru interogarea cosmosului - expuse în cele două noi studii.
Descoperirea neutrinilor urmează îndeaproape pe călcâiul unui alt reper multimessenger: în octombrie 2017, cercetătorii au anunțat că au analizat o coliziune între două stele de neutroni superdense, observând atât radiațiile electromagnetice, cât și undele gravitaționale emise în timpul evenimentului dramatic.
"Era astrofizicii multimasagerilor este aici", a spus directorul NSF, France Cordova, în aceeași declarație. „Fiecare mesager - de la radiații electromagnetice, unde gravitaționale și acum neutrino-uri - ne oferă o înțelegere mai completă a universului și noi perspective importante asupra celor mai puternice obiecte și evenimente de pe cer”.
