IceCube Neutrino nabízí nové oči na Kosmu

Kombinace detekce neutrin a pozorování napříč celým spektrem světla poprvé určila kosmický urychlovač a revitalizovala astronomii s více posly.

NASA Fermi (vlevo nahoře) identifikovala monstrum černou díru ve vzdálené galaxii jako zdroj vysokoenergetického neutrina, které pozorovala Neutrino Observatory IceCube (řetězce senzorů, dole).
NASA / Fermi a Aurore Simonnet (Sonoma State Univ.)

Jedna infinitesimálně malá neutrino - bodová částice bez elektrického náboje a téměř bez hmoty -, kterou observatoř IceCube v Antarktidě detekovala 22. září 2017, má velký dopad na svět vědy od doby, kdy byl zdrojem oznámeno veřejnosti 12. července. Jmenovaný IceCube-170922A není jen prvním vysokoenergetickým neutrinem, který by se dal vysledovat do jeho pravděpodobného rodiště, ale je to také významný krok vpřed pro astronomii s více posly.

Neutrino od Blazara

Poté, co prošel vesmírem neznehodnoceným po miliardy let, se IceCube-170922A konečně setkal se Zemí. Proudila naší planetou bez povšimnutí - stejně jako biliony neutrin, které procházejí vaším tělem právě v tuto sekundu, ale pak se stalo něco neobvyklého: narazilo do atomu a zmizelo a plivlo při tom mion. Bylo to matné, namodralé světlo vyzařované muonem, které IceCube detekoval. Vědci ustoupili od tohoto signálu a zjistili, z jakého obecného směru neutrino přišlo. 43 sekund po detekci bylo toto místo na obloze posláno do dalekohledů po celém světě k následnému sledování.

Během čtyř hodin vesmírná observatoř Neil Gehrels Swift Observatory identifikovala jako možný zdroj blazar nazvaný TXS 0506 + 056, který leží ohromujících 3, 7 miliard světelných let od Země. Tato superhmotná černá díra ve své hostitelské galaxii vysílá dvojité paprsky vysokoenergetického záření, z nichž jedna je namířena na Zemi. Velkoplošný dalekohled Fermi brzy informoval, že tento lupič planoucí oheň vyzařuje obrovské množství vysokoenergetických paprsků gama. Dále, pozemský dalekohled MAGIC - pozorující ještě vyšší energii gama paprsků - potvrdil Fermiho výsledek. Nakonec pozorování z 20 dalekohledů detekovala pokles elektromagnetické emise napříč spektrem.

Toto zkoumání představuje způsob, jak zkoumat procesy s nejvyšší energií ve vesmíru, a to nejen pomocí elektromagnetického záření (jako je světlo nebo gama záření), ale také neutrin. I když byla taková technika více messengerů poprvé použita v roce 1987, když tři observatoře neutrinů detekovaly 25 neutrinů poté, co hvězda ve Velkém Magellanově mračnu přešla na supernovu, od té doby nebyl tento výkon zdvojen. Naproti tomu neutrino IceCube nabízí naději, že využije astronomii s více posly ke sondování řady běžných (a do značné míry daleko) kosmických urychlovačů, což přimělo ředitele NSF France Córdova na tiskové konferenci, aby řekla: „éra astrosfyziky s více posly Je zde."

Otázky zůstávají

Přesto zůstává řada otázek. První a nejzřetelnější je, zda vědci mohou s jistotou říci, že TXS 0506 + 056 je skutečně zdrojem neutrina. Nakonec nebyly zjištěny žádné neutrina z planoucích blazarů, které jsou mnohem blíže Zemi, jako Mkn 425 a Mkn 501. “Na základě 10 let dat od IceCube a Fermi jsme vyhodnotili pravděpodobnost [že TXS 0506 + 056 je neutrino zdroj], “říká IceCube, hlavní vyšetřovatel Francis Halzen (University of Wisconsin, Madison). Tým vypočítal šanci pouze jednoho z tisíce, že by se detekce ukázala jako náhodná fluktuace signálu.

Vědci IceCube, kteří nyní mají na obloze nějaký objekt pro informaci, proplétali svá archivní data. Průzkum se ukázal jako plodný a odhalil 19 neutrin za 150 dní mezi lety 2014 a 2015, které pocházely z erbu s ještě větší jistotou. „Data neutrina i fotonu měřená v letech 2014–15 a 2017 navíc ukazují charakteristické spektrum očekávané od kosmického urychlovače, “ dodává Halzen.

Přestože je asociace TXS 0506 + 056 vysoce pravděpodobná, je stále nejistá. Kohta Murase (Penn State) vybízí k opatrnosti: „Když se podíváme na historii, existuje mnoho nároků, u nichž se taková úroveň významnosti nakonec vytratila, “ říká. "Rozhodně potřebujeme více událostí, abychom zjistili, že blazary jsou zdroji neutrin."

Zdroj mimořádně vysoké energie?

Další zásadní otázkou je, zda nové neutrinové výsledky naznačují, že blazar je možným zdrojem pro jiný typ záhadné částice: kosmické paprsky s velmi vysokou energií (UHECR). Tyto extrémně energetické a vzácné částice jsou protony a jádra s energií nad milion bilionů elektronových voltů - velký Hadron Collider by musel být velikost orbity Merkuru, aby urychlil proton na energii nejsilnějších UHECR. UHECRs cestují obrovskou rychlostí vesmírem a občas srážou na Zemi. Ačkoli jsou tyto kosmické paprsky zpožděny o miliony let prostřednictvím výchylek z kosmických magnetických polí, což znamená, že bychom je nikdy nemohli vidět, jak přicházejí na Zemi s neutriny TXS 0506 + 056 nebo paprsky gama, ale produkují vysoce energetická neutrina podobná IceCube170922-A. To jistě znamená, že blazar TXS 0506 + 056 je také zdrojem UHECR - nebo ano?

"Pokud by byly vyrobeny UHECR, měli bychom detekovat neutrina při vyšších energiích, než je ta pozorovaná, " ​​uzavírá Murase, jeden z řady autorů, kteří - v návaznosti aktivity kolem oznámení - zveřejnili příspěvky na úložišti předtisků astronomie arXiv, pokouší se interpretovat, jak mohl blazar produkovat IceCube neutrino.

Schéma neutronové observatoře IceCube.
University of Wisconsin

Ralph Engel, tiskový mluvčí observatoře Pierra Augera, který lovil UHECR a který loni ověřil, že UHECR pocházejí mimo Mléčnou dráhu, však zpochybňuje Muraseovu tvrzení. „Neutrino IceCube pravděpodobně pochází z kosmického záření s menší energií než UHECR, “ vysvětluje. "Ale zdroje UHECR emitují kosmické paprsky řady energií, takže neutrino IceCube by mohlo být jen na spodním konci tohoto rozsahu." Engel dále tvrdí, že neutrina IceCube, UHECR a extragalaktické gama paprsky ukládají podobné množství energie v daném objemu, což naznačuje, že jejich produkce je spojena se stejným procesem a zdroji.

Tento proces však zůstává neznámý, stejně jako otázka, zda tento mechanismus používají všechny blazary a další potenciální kosmické urychlovače, jako jsou hvězdné galaxie. Oznámení neutrina IceCube v mnoha ohledech vyvolalo více otázek, než odpovědělo. Ale s tímto jediným nepatrným neutrinem, který dokazuje, že vědci z celého světa dokážou rychle přijímat, sdružovat a analyzovat pozorování různých signálů společnou spoluprací, má nyní astronomie s více posly silný základ, ze kterého mohou tyto otázky položit do postele. Abych citoval Cordovu: „Stejně jako ve všech dobrých vědách je to jen začátek.“