En kunstners illustration af en blazar som den, der for nylig blev fundet at accelerere neutrinoer og kosmiske stråler til enorme hastigheder. Det supermassive sorte hul i midten af akkretionsskiven sender en smal højenergistråle af stof ind i rummet, vinkelret på disken.
(Billede: © DESY, Science Communication Lab)
Astronomer har sporet en neutrino med høj energi til dens kosmiske kilde for første gang nogensinde og løst et århundrede gammelt mysterium i processen.
Neutrino er næsten masseløse subatomære partikler, der ikke har nogen elektrisk ladning og derfor interagerer sjældent med deres omgivelser. Faktisk strømmer billioner af disse "spøgelsespartikler" gennem din krop ubemærket og uhindret hvert sekund.
De fleste af disse neutrinoer kommer fra solen. Men en lille procentdel, der kan prale af ekstremt høje energier, har raket til skoven i vores meget dybe rum. Neutrinos iboende undvigelsesevne har forhindret astronomer i at skrue ned for sådanne kosmiske vandrere - indtil nu. [Sporing af en neutrino til dens kilde: opdagelsen i billeder]
Observationer fra IceCube Neutrino-observatoriet på Sydpolen og en række andre instrumenter gjorde det muligt for forskere at spore en kosmisk neutrino til en fjern blazar, en enorm elliptisk galakse med et hurtigt spinnende supermassivt sort hul i hjertet.
Og der er mere. Kosmiske neutrinoer går hånd i hånd med kosmiske stråler, meget energiske ladede partikler, der smadrer kontinuerligt ind på vores planet. Så de nye finder tapper blazars som acceleratorer for mindst nogle af de hurtigst bevægende kosmiske stråler også.
Astronomer har undret sig over dette, siden kosmiske stråler først blev opdaget, allerede tilbage i 1912. Men de er blevet forhindret af partiklenes ladede natur, som dikterer, at kosmiske stråler bliver trukket på denne måde og at af forskellige genstande, når de zoomer gennem rummet. Succes kom endelig fra at bruge en linjerejse fra en med-rejsende spøgelsespartikel.
”Vi har ledt efter kilderne til kosmiske stråler i mere end et århundrede, og vi har endelig fundet en,” fortalte Space Halzen, videnskabsmand ved IceCube Neutrino Observatory og professor i fysik ved University of Wisconsin-Madison. com. [Skøre fysik: De fedeste små partikler i naturen]
En holdindsats
IceCube, der administreres af U.S. National Science Foundation (NSF), er en dedikeret neutrinojæger. Anlægget består af 86 kabler, der ligger inden i borehuller, der strækker sig 2,5 km ind i den antarktiske is. Hvert kabel rummer på sin side 60 digitale optiske moduler i basketball-størrelse, som er udstyret med følsomme lysdetektorer.
Disse detektorer er designet til at samle det karakteristiske blå lys, der udsendes efter en neutrino interagerer med en atomkerne. (Dette lys kastes af en sekundær partikel skabt af interaktionen. Og i tilfælde af at du undrede dig over: Alt det overliggende is forhindrer, at andre partikler end neutrinoer når frem til detektorerne og tilsmudser dataene.) Dette er sjældne begivenheder; IceCube opdager kun et par hundrede neutrinoer om året, sagde Halzen.
Faciliteten har allerede ydet store bidrag til astronomi. I 2013 for eksempel foretog IceCube den første bekræftede detektion af neutrinoer ud over Melkevejen. Forskere var ikke i stand til at fastlægge kilden til disse højenergi-spøgelsespartikler på det tidspunkt.
Den 22. september 2017 hentede IceCube imidlertid en anden kosmisk neutrino. Det var ekstremt energisk og pakket omkring 300 teraelektron volt - næsten 50 gange større end energien fra protonerne, der cyklede gennem Jordens mest kraftfulde partikelaccelerator, den store Hadron Collider.
Inden for 1 minut efter opdagelsen udsendte anlægget en automatisk anmeldelse, der advarede andre astronomer om fundet og videresendte koordinater til den himmelplaster, der syntes at huse partiklens kilde.
Samfundet svarede: Næsten 20 teleskoper på jorden og i rummet skurede den plaster over det elektromagnetiske spektrum, fra lavenergi-radiobølger til højenergi-gammastråler. De kombinerede observationer spores neutrinoens oprindelse til en allerede kendt blazar kaldet TXS 0506 + 056, som ligger omkring 4 milliarder lysår fra Jorden.
F.eks. Afslørede opfølgningsobservationer af flere forskellige instrumenter - inklusive NASAs jorden-kredsende Fermi Gamma-ray-rumteleskop og det store atmosfæriske gamma-billeddannelse Cherenkov-teleskop (MAGIC) på De Kanariske Øer - et kraftigt udbrud af gammastrålelys fra TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: Fotos af NASAs Fermi-rumteleskop]
IceCube-teamet gennemgik også sine arkivdata og fandt mere end et dusin andre kosmiske neutrinoer, som syntes at komme fra den samme blazar. Disse ekstra partikler blev opsamlet af detektorerne fra slutningen af 2014 til begyndelsen af 2015.
"Alle brikkerne passer sammen," sagde Albrecht Karle, en senior IceCube-videnskabsmand og UW-Madison fysikprofessor, i en erklæring. "Neutrino-opblussen i vores arkivdata blev uafhængig bekræftelse. Sammen med observationer fra de andre observatorier er det tvingende bevis for, at denne blazar er en kilde til ekstremt energiske neutrinoer og dermed kosmiske stråler med høj energi."
Resultaterne rapporteres i to nye undersøgelser offentliggjort online i dag (12. juli) i tidsskriftet Science. Du kan finde dem her og her.
Multimessenger-astrofysik stiger
Blazars er en speciel type superluminøs galakse, der sprænger tvillingstråler af lys og partikler, hvoraf den ene er rettet direkte mod Jorden. (Det er delvis grunden til, at blazars ser så lyse ud for os - fordi vi er i linjen med jetbrand.)
Astronomer har identificeret flere tusinde blazars overalt i universet, hvoraf ingen af dem endnu har vist sig at slynge neutrinoer til os som TXS 0506 + 056 er.
"Der er noget specielt ved denne kilde, og vi er nødt til at finde ud af, hvad det er," fortalte Halzen til Space.com.
Det er kun et af mange spørgsmål, der rejses af de nye resultater. F.eks. Vil Halzen også gerne vide, accelerationsmekanismen: Hvordan får blazarer nøjagtigt neutrinoer og kosmiske stråler op til så enorme hastigheder?
Halzen udtrykte optimisme med hensyn til besvarelse af sådanne spørgsmål i en relativt nær fremtid og henviser til kraften fra "multimessenger-astrofysik" - brugen af mindst to forskellige typer signaler til at forhøre kosmos - der vises i de to nye undersøgelser.
Neutrino-opdagelsen følger tæt på hælene på et andet multimessenger-landemærke: I oktober 2017 meddelte forskere, at de havde analyseret en kollision mellem to superdense neutronstjerner ved at observere både den elektromagnetiske stråling og tyngdekraften, der blev udsendt under den dramatiske begivenhed.
"Tiden med multimessenger-astrofysik er her," sagde NSF-direktør, Frankrig Cordova, i den samme erklæring. "Hver messenger - fra elektromagnetisk stråling, gravitationsbølger og nu neutrinoer - giver os en mere fuldstændig forståelse af universet og vigtig ny indsigt i de mest magtfulde objekter og begivenheder på himlen."
