Neutrino produceret i en kosmisk kolliderer langt væk

Neutrino-begivenheden IceCube 170922A, opdaget ved IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen, ser ud til at stamme fra den fjerne aktive galakse TXS 0506+056, ved en lysrejseafstand på 3,8 milliarder lysår. TXS 0506+056 er en af ​​mange aktive galakser, og det forblev et mysterium, hvorfor og hvordan kun denne særlige galakse har genereret neutrinoer indtil videre.

Et internationalt team af forskere ledet af Silke Britzen fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, studerede højopløselige radioobservationer af kilden mellem 2009 og 2018, før og efter neutrino-begivenheden. Holdet foreslår, at den forbedrede neutrinoaktivitet under en tidligere neutrino-opblussen og den enkelte neutrino kunne være blevet genereret af en kosmisk kollision inden for TXS 0506+056. Sammenstødet mellem jetmateriale tæt på et supermassivt sort hul ser ud til at have frembragt neutrinoerne.

Resultaterne offentliggøres i Astronomi og astrofysik , oktober 02, 2019.

Den 12. juli 2018, IceCube-samarbejdet annoncerede påvisningen af ​​den første højenergineutrino, IceCube-170922A, som kunne spores tilbage til en fjern kosmisk oprindelse. Mens den kosmiske oprindelse af neutrinoer havde været mistænkt i et stykke tid, dette var den første neutrino fra det ydre rum, hvis oprindelse kunne bekræftes. Denne neutrinos 'hjem' er en Active Galactic Nucleus (AGN) - en galakse med et supermassivt sort hul som central motor. Et internationalt hold kunne nu afklare neutrinoens produktionsmekanisme og fandt en ækvivalent til en kolliderer på Jorden:en kosmisk kollision af jetted materiale.

AGN'er er de mest energiske objekter i vores univers. Drevet af et supermassivt sort hul, stof bliver ophobet, og strømme af plasma (såkaldte jets) sendes ud i det intergalaktiske rum. BL Lac-objekter udgør en særlig klasse af disse AGN'er, hvor strålen peger direkte på os og dominerer den observerede stråling. Neutrino-begivenheden IceCube-170922A ser ud til at stamme fra BL Lac-objektet TXS 0506+056, en galakse med en rødforskydning på z=0,34, svarende til en lysrejseafstand på 3,8 milliarder lysår. En analyse af IceCube-arkivdata fra IceCube Collaboration havde afsløret beviser på en forbedret neutrinoaktivitet tidligere, mellem september 2014 og marts 2015.

Andre BL Lac-objekter viser egenskaber, der ligner dem i TXS 0506+056. "Det var lidt af et mysterium, imidlertid, hvorfor kun TXS 0506+056 er blevet identificeret som en neutrino-emitter, " forklarer Silke Britzen fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), avisens hovedforfatter. "Vi ønskede at opklare, hvad der gør TXS 0506+056 speciel, at forstå neutrinodannelsesprocessen og at lokalisere emissionsstedet og studerede en række højopløselige radiobilleder af jetflyet."

Til deres store overraskelse, forskerne fandt en uventet interaktion mellem jetmateriale i TXS 0506+056. Mens jetplasma normalt antages at strømme uforstyrret i en slags kanal, situationen ser anderledes ud i TXS 0506+056. Holdet foreslår, at den forbedrede neutrino-aktivitet under neutrino-opblussen i 2014-2015 og den enkelte EHE-neutrino. IceCube-170922A kunne være blevet genereret af en kosmisk kollision i kilden.

Denne kosmiske kollision kan forklares ved, at nyt jetmateriale styrter ned i ældre jetmateriale. En stærkt buet jetstruktur giver den rigtige opsætning til et sådant scenarie. En anden forklaring involverer kollisionen af ​​to jetfly i samme kilde. I begge scenarier, det er kollisionen af ​​jetted materiale, der genererer neutrinoen. Markus Böttcher fra North-West University i Potchefstroom (Sydafrika), en medforfatter af papiret, udførte beregningerne med hensyn til stråling og partikelemission. "Denne kollision af jetted materiale er i øjeblikket den eneste levedygtige mekanisme, der kan forklare neutrino-detektionen fra denne kilde. Den giver os også vigtig indsigt i jetmaterialet og løser et langvarigt spørgsmål om, hvorvidt jetfly er leptoniske, bestående af elektroner og positroner; eller hadronisk, bestående af elektroner og protoner; eller en kombination af begge. I det mindste en del af jetmaterialet skal være hadronisk - ellers, vi ville ikke have opdaget neutrinoen."

I løbet af den kosmiske udvikling af vores univers, kollisioner af galakser synes at være et hyppigt fænomen. Forudsat at begge galakser indeholder centrale supermassive sorte huller, den galaktiske kollision kan resultere i et sort hul-par i midten. Dette sorte hul-par kan i sidste ende smelte sammen og producere den supermassive ækvivalent til stjernernes sorte hul-fusioner, som detekteres i gravitationsbølger af LIGO/Virgo-samarbejdet.

AGN'er med dobbelte sorte huller ved en lille adskillelse på kun lysår er blevet forfulgt i mange år. Imidlertid, de synes at være sjældne og svære at identificere. Ud over kollisionen af ​​jetted materiale, holdet fandt også beviser for en præcession af den centrale jet af TXS 0506+056. Ifølge Michal Zajaček fra Center for Teoretisk Fysik, Warszawa:"Denne præcession kan generelt forklares ved tilstedeværelsen af ​​et supermassivt sort hul binært eller Lense-Thirring præcessionseffekten som forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Sidstnævnte kunne også udløses af et sekund, mere fjerne sort hul i midten. Begge scenarier fører til en vandring i jetretningen, som vi observerer."

Christian Fendt fra Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg er forbløffet:"Jo nærmere vi ser på jetkilderne, jo mere kompliceret fremstår den interne struktur og jetdynamikken. Mens binære sorte huller producerer en mere kompleks udstrømningsstruktur, deres eksistens forventes naturligt ud fra de kosmologiske modeller for galaksedannelse ved galaksefusioner."

Silke Britzen understreger det videnskabelige potentiale i resultaterne:"Det er fantastisk at forstå neutrino-generationen ved at studere indersiden af ​​jetfly. Og det ville være et gennembrud, hvis vores analyse havde givet endnu en kandidat til en binær sort hul-jetkilde med to jetfly."

Det ser ud til at være første gang, at en potentiel kollision af to jetfly på skalaer af et par lysår er blevet rapporteret, og at påvisningen af ​​en kosmisk neutrino kan spores tilbage til en kosmisk jet-kollision.

Selvom TXS 0506+056 muligvis ikke er repræsentativ for klassen af ​​BL Lac-objekter, denne kilde kunne give den korrekte opsætning til en gentagen interaktion af jetted materiale og generering af neutrinoer.