Coronae af supermassive sorte huller kan være de skjulte kilder til mystiske kosmiske neutrinoer set på Jorden

Oprindelsen af ​​højenergiske kosmiske neutrinoer observeret af IceCube Neutrino Observatory, hvis detektor er begravet dybt i den antarktiske is, er en gåde, der har forvirret fysikere og astronomer. En ny model kan hjælpe med at forklare den uventede store flux af nogle af disse neutrinoer, som udledes af nyere neutrino- og gammastråledata. Et papir fra Penn State-forskere, der beskriver modellen, som peger på de supermassive sorte huller fundet i kernerne af aktive galakser som kilderne til disse mystiske neutrinoer, vises 30. juni, 2020 i bladet Fysiske anmeldelsesbreve .

"Neutrinoer er subatomære partikler så små, at deres masse er næsten nul, og de interagerer sjældent med andet stof, " sagde Kohta Murase, assisterende professor i fysik og astronomi og astrofysik ved Penn State og medlem af Center for Multimessenger Astrophysics i Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), der ledede forskningen. "Kosmiske neutrinoer med høj energi er skabt af energiske kosmiske stråleacceleratorer i universet, som kan være ekstreme astrofysiske objekter som sorte huller og neutronstjerner. De skal være ledsaget af gammastråler eller elektromagnetiske bølger ved lavere energier, og endda nogle gange gravitationsbølger. Så, vi forventer, at niveauerne af disse forskellige 'kosmiske budbringere', som vi observerer, er relaterede. Interessant nok, IceCube-dataene har indikeret en overskydende emission af neutrinoer med energier under 100 teraelectron volt (TeV), sammenlignet med niveauet af tilsvarende højenergi-gammastråler set af Fermi Gamma-ray Space Telescope."

Forskere kombinerer information fra alle disse kosmiske budbringere for at lære om begivenheder i universet og for at rekonstruere dets udvikling i det spirende felt af "multimessenger-astrofysik." For ekstreme kosmiske begivenheder, som massive stjerneeksplosioner og jetfly fra supermassive sorte huller, der skaber neutrinoer, denne tilgang har hjulpet astronomer med at lokalisere de fjerne kilder, og hver ekstra budbringer giver yderligere ledetråde om detaljerne i fænomenerne.

For kosmiske neutrinoer over 100 TeV, Tidligere forskning fra Penn State-gruppen viste, at det er muligt at have overensstemmelse med højenergiske gammastråler og ultrahøjenergiske kosmiske stråler, som passer til et multibudbringerbillede. Imidlertid, der er voksende beviser for et overskud af neutrinoer under 100 TeV, som ikke bare kan forklares. For ganske nylig, IceCube Neutrino Observatory rapporterede endnu et overskud af højenergineutrinoer i retning af en af ​​de lyseste aktive galakser, kendt som NGC 1068, på den nordlige himmel.

"Vi ved, at kilderne til neutrinoer med høj energi også skal skabe gammastråler, så spørgsmålet er:Hvor er disse manglende gammastråler?" sagde Murase. "Kilderne er på en eller anden måde skjult for vores syn i højenergiske gammastråler, og energibudgettet for neutrinoer frigivet til universet er overraskende stort. De bedste kandidater til denne type kilde har tætte miljøer, hvor gammastråler ville blive blokeret af deres interaktion med stråling og stof, men neutrinoer kan let undslippe. Vores nye model viser, at supermassive sorte hul-systemer er lovende steder, og modellen kan forklare neutrinoerne under 100 TeV med beskedne energikrav."

Den nye model antyder, at koronaen - auraen af ​​supervarmt plasma, der omgiver stjerner og andre himmellegemer - omkring supermassive sorte huller fundet i kernen af ​​galakser, kunne være en sådan kilde. Analogt med koronaen set på et billede af Solen under en solformørkelse, astrofysikere mener, at sorte huller har en korona over den roterende skive af materiale, kendt som en accretion disk, der dannes omkring det sorte hul gennem dets gravitationspåvirkning. Denne corona er ekstremt varm (med en temperatur på omkring en milliard grader kelvin), magnetiseret, og turbulent. I dette miljø, partikler kan accelereres, hvilket fører til partikelkollisioner, der ville skabe neutrinoer og gammastråler, men miljøet er tæt nok til at forhindre udslip af højenergiske gammastråler.

"Modellen forudsiger også elektromagnetiske modstykker til neutrinokilderne i 'bløde' gammastråler i stedet for højenergiske gammastråler, " sagde Murase. "Højenergi gammastråler ville blive blokeret, men dette er ikke slutningen på historien. De ville til sidst blive kaskaderet ned til lavere energier og frigivet som 'bløde' gammastråler i megaelektronvoltområdet, men de fleste af de eksisterende gammastråledetektorer, ligesom Fermi Gamma-ray rumteleskopet, er ikke indstillet til at opdage dem."

Der er projekter under udvikling, der er designet specifikt til at udforske en sådan blød gammastråleemission fra rummet. Desuden, kommende og næste generations neutrino detektorer, KM3Net i Middelhavet og IceCube-Gen2 i Antarktis vil være mere følsomme over for kilderne. De lovende mål inkluderer NGC 1068 på den nordlige himmel, for hvilken den overskydende neutrino-emission blev rapporteret, og flere af de lyseste aktive galakser på den sydlige himmel.

"Disse nye gammastråle- og neutrino-detektorer vil muliggøre dybere søgninger efter multimessenger-emission fra supermassive sorte hul-koronaer, " sagde Murase. "Dette vil gøre det muligt kritisk at undersøge, om disse kilder er ansvarlige for den store flux af mellemenerginiveau neutrinoer observeret af IceCube, som vores model forudsiger."