Opdagelse af ekstragalaktiske neutrinofabrikker

Meget energiske og svære at opdage, neutrinoer rejser milliarder af lysår, før de når vores planet. Selvom det er kendt, at disse elementarpartikler kommer fra dybet af vores univers, er deres præcise oprindelse stadig ukendt. Et internationalt forskerhold, ledet af universitetet i Würzburg og universitetet i Genève (UNIGE), kaster lys over et aspekt af dette mysterium:neutrinoer menes at være født i blazarer, galaktiske kerner fodret af supermassive sorte huller. Disse resultater er offentliggjort i tidsskriftet The Astrophysical Journal Letters .

Jordens atmosfære bliver kontinuerligt bombarderet af kosmiske stråler. Disse består af elektrisk ladede partikler med energi op til 10 ²⁰ elektronvolt. Det er en million gange mere end den energi, der opnås i verdens kraftigste partikelaccelerator, Large Hadron Collider nær Genève. De ekstremt energirige partikler kommer fra det dybe ydre rum, de har rejst milliarder af lysår. Hvor stammer de fra, hvad skyder dem gennem universet med en så enorm kraft? Disse spørgsmål er blandt astrofysikkens største udfordringer i over et århundrede.

Kosmiske strålers fødesteder producerer neutrinoer. Neutrinoer er neutrale partikler, der er svære at opdage. De har næsten ingen masse og interagerer næsten ikke med stof. De ræser gennem universet og kan rejse gennem galakser, planeter og den menneskelige krop næsten sporløst. "Astrofysiske neutrinoer produceres udelukkende i processer, der involverer kosmisk stråleacceleration," forklarer astrofysikprofessor Sara Buson fra Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland. Det er netop det, der gør disse neutrinoer til unikke budbringere, der baner vejen for at lokalisere kosmiske strålekilder.

Et skridt fremad i en kontroversiel debat

På trods af den store mængde data, som astrofysikere har indsamlet, har forbindelsen mellem højenergineutrinoer og de astrofysiske kilder, der stammer fra dem, været et uløst problem i årevis. Sara Buson har altid betragtet det som en stor udfordring. Det var i 2017, at forskeren og samarbejdspartnerne første gang bragte en blazar (TXS 0506+056) ind i diskussionen som en formodet neutrinokilde i tidsskriftet Science . Blazarer er aktive galaktiske kerner drevet af supermassive sorte huller, der udsender meget mere stråling end hele deres galakse. Publikationen udløste en videnskabelig debat om, hvorvidt der virkelig er en forbindelse mellem blazarer og højenergineutrinoer.

Efter dette første opmuntrende skridt påbegyndte Prof. Busons gruppe i juni 2021 et ambitiøst forskningsprojekt med flere budbringere med støtte fra Det Europæiske Forskningsråd. Dette involverer at analysere forskellige signaler ("budbringere", f.eks. neutrinoer) fra universet. Hovedmålet er at kaste lys over oprindelsen af ​​astrofysiske neutrinoer og muligvis etablere blazarer som den første kilde til ekstragalaktiske højenergineutrinoer med høj sikkerhed.

Projektet viser nu sin første succes:I tidsskriftet Astrophysical Journal Letters , rapporterer Sara Buson, sammen med sin gruppe, den tidligere postdoc Raniere de Menezes (JMU) og med Andrea Tramacere fra Universitetet i Genève, at blazarer med sikkerhed kan forbindes med astrofysiske neutrinoer med en hidtil uset grad af sikkerhed.

Afsløring af blazarernes rolle

Andrea Tramacere er en af ​​eksperterne i numerisk modellering af accelerationsprocesser og strålingsmekanismer, der virker i relativistiske stråler - udstrømninger af accelereret stof, der nærmer sig lysets hastighed - især blazarjetfly. "Akkretionsprocessen og det sorte huls rotation fører til dannelsen af ​​relativistiske jetstråler, hvor partikler accelereres og udsender stråling op til tusind milliarder energier af det synlige lys! Opdagelsen af ​​forbindelsen mellem disse objekter og det kosmiske stråler kan være 'Rosetta-stenen' i højenergiastrofysikken."

For at nå frem til disse resultater brugte forskerholdet neutrinodata fra IceCube Neutrino Observatory i Antarktis - den mest følsomme neutrinodetektor i drift i øjeblikket - og BZCat, et af de mest nøjagtige kataloger over blazarer. "Med disse data var vi nødt til at bevise, at blazarerne, hvis retningsbestemte positioner faldt sammen med neutrinoernes position, ikke var der tilfældigt." For at gøre dette udviklede UNIGE-forskeren en software, der var i stand til at estimere, hvor meget fordelingen af ​​disse objekter på himlen ligner ens. "Efter at have kastet terningerne flere gange, opdagede vi, at den tilfældige association kun kan overstige den for de rigtige data én gang ud af en million forsøg! Dette er et stærkt bevis på, at vores associationer er korrekte."

På trods af denne succes mener forskerholdet, at denne første prøve af objekter kun er "toppen af ​​isbjerget." Dette arbejde har gjort det muligt for dem at indsamle "nye observationsbeviser", som er den vigtigste ingrediens til at bygge mere realistiske modeller af astrofysiske acceleratorer. "Det, vi skal gøre nu, er at forstå, hvad den væsentligste forskel er mellem objekter, der udsender neutrinoer, og dem, der ikke gør. Dette vil hjælpe os til at forstå, i hvilket omfang miljøet og acceleratoren 'taler' med hinanden. Vi vil så være i stand til at udelukke nogle modeller, forbedre andres forudsigelsesevne og til sidst tilføje flere brikker til det evige puslespil af kosmisk stråleacceleration." + Udforsk yderligere

Gammastråler og neutrinoer fra bløde supermassive sorte huller