NASAs Swift hjælper med at binde neutrino til stjerneknusende sort hul

For kun anden gang, astronomer har forbundet en undvigende partikel kaldet en højenergi neutrino til et objekt uden for vores galakse. Brug af jord- og rumbaserede faciliteter, herunder NASAs Neil Gehrels Swift Observatory, de sporede neutrinoen til et sort hul, der rev en stjerne fra hinanden, en sjælden kataklysmisk hændelse kaldet en tidevandsafbrydelse.

"Astrofysikere har længe teoretiseret, at tidevandsafbrydelser kunne producere neutrinoer med høj energi, men det er første gang, vi rent faktisk har været i stand til at forbinde dem med observationsbeviser, " sagde Robert Stein, en doktorand ved det tyske Electron-Synchrotron (DESY) forskningscenter i Zeuthen, Tyskland, og Humboldt Universitet i Berlin. "Men det ser ud som om denne særlige begivenhed, kaldet AT2019dsg, genererede ikke neutrinoen hvornår eller hvordan vi forventede. Det hjælper os med bedre at forstå, hvordan disse fænomener fungerer."

Fundene, ledet af Stein, blev offentliggjort i nummeret 22. februar af Natur astronomi og er tilgængelige online. Neutrinoer er fundamentale partikler, der langt overstiger alle atomer i universet, men som sjældent interagerer med andet stof. Astrofysikere er især interesserede i højenergi neutrinoer, som har energier op til 1, 000 gange større end dem, der produceres af de kraftigste partikelkolliderere på Jorden. De tænker på de mest ekstreme begivenheder i universet, som voldsomme galaktiske udbrud, accelerere partikler til næsten lysets hastighed. Disse partikler kolliderer derefter med lys eller andre partikler for at generere høj-energi neutrinoer. Den første bekræftede højenergi-neutrinokilde, annonceret i 2018, var en type aktiv galakse kaldet en blazar.

Tidevandsforstyrrelser opstår, når en uheldig stjerne forvilder sig for tæt på et sort hul. Gravitationskræfter skaber intense tidevand, der bryder stjernen fra hinanden til en strøm af gas. Den efterfølgende del af åen undslipper systemet, mens den forreste del svinger tilbage rundt, omgiver det sorte hul med en skive af snavs. I nogle tilfælde, det sorte hul udsender hurtigt bevægelige partikelstråler. Forskere antog, at tidevandsafbrydelser ville producere højenergi-neutrinoer i sådanne partikelstråler. De forventede også, at begivenhederne ville producere neutrinoer tidligt i deres udvikling, ved maksimal lysstyrke, uanset partiklernes produktionsproces.

AT2019dsg blev opdaget den 9. april, 2019, af Zwicky Transient Facility (ZTF), et robotkamera ved Caltechs Palomar Observatory i det sydlige Californien. Begivenheden fandt sted over 690 millioner lysår væk i en galakse kaldet 2MASX J20570298+1412165, beliggende i stjernebilledet Delphinus.

Som en del af en rutinemæssig opfølgningsundersøgelse af tidevandsforstyrrelser, Stein og hans team bad om synlig, ultraviolet, og røntgenobservationer med Swift. De tog også røntgenmålinger ved hjælp af European Space Agency's XMM-Newton-satellit og radiomålinger med faciliteter, herunder National Radio Astronomy Observatory's Karl G. Jansky Very Large Array i Socorro, Ny mexico, og det sydafrikanske Radio Astronomy Observatorys MeerKAT-teleskop.

Den højeste lysstyrke kom og gik i maj. Ingen klar jet dukkede op. Ifølge teoretiske forudsigelser, AT2019dsg lignede en dårlig neutrinokandidat.

Derefter, den 1. okt. 2019, National Science Foundations IceCube Neutrino-observatorium ved Amundsen-Scott South Pole Station i Antarktis opdagede en højenergineutrino kaldet IC191001A og sporede tilbage langs dens bane til et sted på himlen. Cirka syv timer senere, ZTF bemærkede, at denne samme patch of sky inkluderede AT2019dsg. Stein og hans team tror, ​​at der kun er én chance i 500 for, at tidevandsafbrydelsen ikke er neutrinoens kilde. Fordi detektionen skete omkring fem måneder efter hændelsen nåede maksimal lysstyrke, det rejser spørgsmål om, hvornår og hvordan disse hændelser producerer neutrinoer.

"Tidevandsforstyrrelser er utroligt sjældne fænomener, forekommer kun én gang hver 10. 000 til 100, 000 år i en stor galakse som vores egen. Astronomer har kun observeret et par dusin på dette tidspunkt, " sagde Swift Principal Investigator S. Bradley Cenko ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Multibølgelængdemålinger af hver begivenhed hjælper os med at lære mere om dem som en klasse, så AT2019dsg var af stor interesse selv uden en indledende neutrino-detektion."

For eksempel, tidevandsforstyrrelser genererer synligt og UV-lys i de ydre områder af deres varme tilvækstskiver. I AT2019dsg, disse bølgelængder plateauede kort efter at de toppede. Det var usædvanligt, fordi sådanne plateauer typisk først dukker op efter et par år. Forskerne har mistanke om galaksens sorte hul. med en masse anslået til 30 millioner gange Solens, kunne have tvunget stjerneaffaldet til at sætte sig i en skive hurtigere, end det kunne have haft omkring et mindre massivt sort hul.

AT2019dsg er en af ​​kun en håndfuld kendte røntgen-emitterende tidevandsforstyrrelser. Forskere tror, ​​at røntgenstrålerne kommer fra enten den indre del af accretion disken, tæt på det sorte hul, eller fra højhastigheds-partikelstråler. Udbruddets røntgenstråler falmede med hidtil usete 98 % over 160 dage. Steins team ser ikke klare beviser, der indikerer tilstedeværelsen af ​​jetfly, og antyder i stedet, at hurtig afkøling i disken sandsynligvis forklarer det bratte fald i røntgenstråler.

Ikke alle er enige i denne analyse. En anden forklaring, forfattet af DESYs Walter Winter og Cecilia Lunardini, en professor ved Arizona State University i Tempe, foreslår, at emissionen kom fra et jetfly, der hurtigt blev skjult af en sky af affald. Forskerne offentliggjorde deres alternative fortolkning i samme nummer af Natur astronomi .

Astronomer tror, ​​at radioemission i disse fænomener kommer fra det sorte hul, der accelererer partikler, enten i jetfly eller mere moderate udstrømninger. Steins team mener, at AT2019dsg falder ind under sidstnævnte kategori. Forskerne opdagede også, at radioemissionen fortsatte støt i flere måneder og ikke falmede sammen med det synlige lys og UV-lys, som tidligere antaget.

Neutrino-detektion, kombineret med multibølgelængdemålinger, fik Stein og hans kolleger til at genoverveje, hvordan tidevandsafbrydelser kan producere højenergi-neutrinoer.

Radioemissionen viser, at partikelacceleration sker selv uden klar, kraftige jetfly og kan fungere godt efter maksimal UV og synlig lysstyrke. Stein og hans kolleger foreslår, at disse accelererede partikler kunne producere neutrinoer i tre forskellige områder af tidevandsafbrydelsen:i den ydre skive gennem kollisioner med UV-lys, i den indre disk gennem kollisioner med røntgenstråler, og i den moderate udstrømning af partikler gennem kollisioner med andre partikler.

Steins team antyder, at AT2019dsg's neutrino sandsynligvis stammer fra den UV-lyse ydre del af disken, baseret på, at partiklens energi var mere end 10 gange større, end det kan opnås ved partikelkolliderer.

"Vi forudsagde, at neutrinoer og tidevandsafbrydelser kunne være relateret, og at se det for første gang i dataene er bare meget spændende, " sagde medforfatter Sjoert van Velzen, en adjunkt ved Leiden Universitet i Holland. "Dette er endnu et eksempel på styrken af ​​multibudbringer astronomi, ved at bruge en kombination af lys, partikler, og rum-tid krusninger for at lære mere om kosmos. Da jeg var kandidatstuderende, det blev ofte forudsagt, at denne nye æra af astronomi var på vej, men nu faktisk at være en del af det er meget givende."