Spøgelsespartikel fra strimlet stjerne afslører kosmisk partikelaccelerator

At spore en spøgelsesagtig partikel tilbage til en revet stjerne, forskere har afsløret en gigantisk kosmisk partikelaccelerator. Den subatomære partikel, kaldet en neutrino, blev slynget mod Jorden, efter at den dødsdømte stjerne kom for tæt på det supermassive sorte hul i midten af ​​sin hjemmegalakse og blev revet fra hinanden af ​​det sorte huls kolossale tyngdekraft. Det er den første partikel, der kan spores tilbage til en sådan 'tidevandsforstyrrelseshændelse' (TDE) og giver bevis for, at disse lidt forståede kosmiske katastrofer kan være kraftige naturlige partikelacceleratorer, som holdet ledet af DESY-forskeren Robert Stein rapporterer i tidsskriftet Natur astronomi. Observationerne demonstrerer også styrken i at udforske kosmos via en kombination af forskellige 'budbringere' såsom fotoner (lyspartikler) og neutrinoer, også kendt som multi-messenger astronomi.

Neutrinoen begyndte sin rejse for omkring 700 millioner år siden, omkring det tidspunkt, hvor de første dyr udviklede sig på Jorden. Det er den rejsetid, partiklen behøvede for at komme fra det fjerne, unavngiven galakse (katalogiseret som 2MASX J20570298+1412165) i stjernebilledet Delphinus (Delfinen) til Jorden. Forskere vurderer, at det enorme sorte hul er så massivt som 30 millioner sole. "Tyngekraften bliver stærkere og stærkere, jo tættere man kommer på noget. Det betyder, at det sorte huls tyngdekraft trækker stjernens nærside stærkere end stjernens anden side, fører til en strækeffekt, " forklarer Stein. "Denne forskel kaldes en tidevandskraft, og som stjernen kommer tættere på, denne udstrækning bliver mere ekstrem. Til sidst river det stjernen fra hinanden, og så kalder vi det en tidevandsforstyrrelse. Det er den samme proces, der fører til havvande på Jorden, men heldigvis for os trækker månen ikke hårdt nok til at rive jorden i stykker."

Omkring halvdelen af ​​stjernens affald blev slynget ud i rummet, mens den anden halvdel satte sig på en hvirvlende skive rundt om det sorte hul. Denne tilvækstskive minder lidt om hvirvelen af ​​vand over afløbet fra et badekar. Før du kaster dig ud i glemslen, stoffet fra tilvækstskiven bliver varmere og varmere og skinner klart. Denne glød blev først opdaget af Zwicky Transient Facility (ZTF) på Mount Palomar i Californien den 9. april 2019.

Et halvt år senere, den 1. oktober 2019 registrerede IceCube-neutrinodetektoren på Sydpolen en ekstremt energisk neutrino fra retningen af ​​tidevandsafbrydelsen. "Det smadrede ind i den antarktiske is med en bemærkelsesværdig energi på mere end 100 teraelektronvolt, " siger medforfatter Anna Franckowiak fra DESY, som nu er professor ved universitetet i Bochum. "Til sammenligning, det er mindst ti gange den maksimale partikelenergi, der kan opnås i verdens mest kraftfulde partikelaccelerator, Large Hadron Collider ved det europæiske partikelfysiklaboratorium CERN nær Genève."

Ekstrem letvægts

De ekstremt lette neutrinoer interagerer næsten ikke med noget, i stand til at passere ubemærket gennem ikke bare vægge, men hele planeter eller stjerner, og omtales derfor ofte som spøgelsespartikler. Så, selv at fange kun en højenergi neutrino er allerede en bemærkelsesværdig observation. Analyse viste, at denne særlige neutrino kun havde én ud af 500 chance for at være rent tilfældig med TDE. Detektionen foranledigede yderligere observationer af begivenheden med mange instrumenter på tværs af det elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger til røntgenstråler.

"Dette er den første neutrino, der er forbundet med en tidevandsafbrydelse, og det bringer os værdifulde beviser, " forklarer Stein. "Hændelser med tidevandsafbrydelse er ikke godt forstået. Detekteringen af ​​neutrinoen peger på eksistensen af ​​en central, kraftfuld motor nær accretion disc, udspyder hurtige partikler. Og den kombinerede analyse af data fra radio, optiske og ultraviolette teleskoper giver os yderligere beviser på, at TDE fungerer som en gigantisk partikelaccelerator."

Observationerne forklares bedst ved en energisk udstrømning af hurtige stofstråler, der skyder ud af systemet, som produceres af den centrale motor, og som holder i hundreder af dage. Dette er også det, der er nødvendigt for at forklare de observationsdata, som Walter Winter, leder af den teoretiske astropartikelfysikgruppe hos DESY, og hans kollega teoretiker Cecilia Lunardini fra Arizona State University, har vist i en teoretisk model offentliggjort i samme nummer af Natur astronomi. "Neutrinoen dukkede op relativt sent, et halvt år efter, at stjernegildet var startet. Vores model forklarer denne timing naturligt, " siger Winter.

Den kosmiske accelerator spyr forskellige typer partikler ud, men bortset fra neutrinoer og fotoner, disse partikler er elektrisk ladede og afbøjes således af intergalaktiske magnetiske felter på deres rejse. Kun de elektrisk neutrale neutrinoer kan rejse på en lige linje som lys fra kilden mod Jorden og dermed blive værdifulde budbringere fra sådanne systemer.

"De kombinerede observationer demonstrerer styrken af ​​multi-budbringer astronomi, " siger medforfatter Marek Kowalski, leder af neutrino-astronomi ved DESY og professor ved Humboldt Universitet i Berlin. "Uden opdagelse af tidevandsafbrydelsen, neutrinoen ville kun være en af ​​mange. Og uden neutrinoen, observation af tidevandsafbrydelsen ville kun være en af ​​mange. Kun gennem kombinationen kunne vi finde acceleratoren og lære noget nyt om processerne indeni." Sammenhængen mellem højenergineutrinoen og tidevandsafbrydelsen blev fundet af en sofistikeret softwarepakke kaldet AMPEL, specielt udviklet hos DESY til at søge efter sammenhænge mellem IceCube-neutrinoer og astrofysiske objekter detekteret af Zwicky Transient Facility.

Toppen af ​​isbjerget?

Zwicky Transient Facility blev designet til at fange hundredtusindvis af stjerner og galakser i et enkelt skud og kan overvåge nattehimlen særligt hurtigt. I hjertet er Samuel-Oschin-teleskopet med en diameter på 1,3 m. Takket være det store synsfelt, ZTF kan scanne hele himlen over tre nætter, at finde mere variable og forbigående objekter end nogen anden optisk undersøgelse før den. "Siden vores start i 2018 har vi registreret over 30 tidevandsafbrydelser indtil videre, mere end en fordobling af det kendte antal af sådanne genstande, " siger Sjoert van Velzen fra Leiden Observatory, medforfatter til undersøgelsen. "Da vi indså, at den næstklareste TDE observeret af os var kilden til en højenergi neutrino registreret af IceCube, vi var begejstrede."

"Vi ser måske kun toppen af ​​isbjerget her. I fremtiden, vi forventer at finde mange flere sammenhænge mellem højenergineutrinoer og deres kilder, " siger Francis Halzen, Professor ved University of Wisconsin-Madison og hovedefterforsker af IceCube, som ikke var direkte involveret i undersøgelsen. "Der er en ny generation af teleskoper ved at blive bygget, som vil give større følsomhed over for TDE'er og andre potentielle neutrinokilder. Endnu vigtigere er den planlagte udvidelse af IceCube neutrinodetektoren, det ville øge antallet af kosmiske neutrino-detektioner mindst tidoblet." Denne TDE markerer kun anden gang, en højenergi kosmisk neutrino kunne spores tilbage til sin kilde. I 2018, en multi-messenger-kampagne præsenterede en aktiv galakse, blazaren TXS 0506+056, som den første nogensinde identificerede kilde til en højenergi neutrino, optaget af IceCube i 2017.