Ny søgning i hele himlen afslører potentielle neutrino-kilder

I over et århundrede, forskere har observeret meget højt energiladede partikler kaldet kosmiske stråler, der kommer uden for Jordens atmosfære. Disse partikels oprindelse er meget vanskelig at identificere, fordi partiklerne selv ikke bevæger sig på en lige vej til Jorden. Selv gammastråler, en type højenergifoton, der giver lidt mere indsigt, absorberes ved krydsning af lange afstande.

IceCube Neutrino Observatory, en række optiske moduler begravet i en kubik kilometer is på Sydpolen, jagter efter kosmiske strålekilder inden for og uden for vores galakse-der strækker sig til galakser mere end milliarder af lysår væk-ved hjælp af tip fra undvigende partikler kaldet neutrinoer. Disse neutrinoer forventes at blive frembragt ved kosmisk stråling med gas eller stråling nær kilderne.

I modsætning til kosmiske stråler, neutrinoer absorberes eller afledes ikke på vej til Jorden, gør dem til et praktisk værktøj til at lokalisere og forstå kosmiske acceleratorer. Hvis forskere kan finde en kilde til astrofysiske neutrinoer med høj energi, dette ville være en rygende pistol til en kosmisk strålekilde.

Efter 10 års søgen efter oprindelsen til astrofysiske neutrinoer, en ny all-sky-søgning giver den mest følsomme sonde for tidsintegreret neutrino-emission af punktlignende kilder. IceCube Collaboration præsenterer resultaterne af denne scanning i et papir, der for nylig blev indsendt til Fysisk gennemgangsbreve .

Tessa Carver ledede denne analyse under tilsyn af Teresa Montaruli i Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire ved universitetet i Genève i Schweiz. "IceCube har allerede observeret en astrofysisk strøm af neutrinoer, så vi ved, at de eksisterer og er påviselige - vi ved bare ikke præcis, hvor de kommer fra, "siger Carver, nu postdoc ved Cardiff University. "Det er kun et spørgsmål om tid og præcision, indtil vi kan identificere kilderne bag denne neutrinoflux."

Den største udfordring i søgen efter astrofysiske neutrino-kilder med IceCube er den overvældende baggrund for begivenheder forårsaget af kosmisk stråleinteraktioner i vores atmosfære. Signalet om svage neutrino -kilder skal ekstraheres via sofistikerede statistiske analyseteknikker.

Ved hjælp af disse metoder, Carver og hendes samarbejdspartnere "scannede" hen over hele himlen for at lede efter punktlignende neutrino-kilder på vilkårlige steder. Denne scanningsmetode er i stand til at identificere meget lyse neutrino -kilder, der kan være usynlige i gammastråler, som også produceres ved kosmiske strålekollisioner.

For at være følsom over for dæmpere kilder, de analyserede også 110 galaktiske og ekstragalaktiske kildekandidater, som er blevet observeret via gammastråler. De kombinerede derefter de opnåede resultater for individuelle kilder i denne liste i en "befolkningsanalyse, "som leder efter en højere end forventet hastighed af betydelige resultater fra den enkelte kildelistesøgning. Dette gør det muligt for forskere at finde betydelig neutrino-emission, selvom kilderne på listen er for svage til at observeres individuelt.

Forskere benyttede også en "stablingssøgning" efter tre kataloger over gammastrålekilder i vores galakse. Denne søgning lagrer al emission fra grupper af kendte objekter af samme type under den antagelse, at de har velkendte emissionsegenskaber. Selvom det kan reducere den per kildeemission, der er nødvendig for at observere et stort overskud af signal over baggrunden, denne søgning er begrænset, idet den kræver mere viden om kilderne i kataloget.

Selvom de forskellige analyser ikke fandt konstante neutrino -kilder, resultaterne er ikke desto mindre spændende:nogle af objekterne i kataloget over kendte kilder viste en højere neutrinostrøm end forventet, med overskridelser på 3σ-niveau. I særdeleshed, all-sky-scanningen afslørede, at den "hotteste" placering på himlen kun er 0,35 grader væk fra stjernebrydende galakse NGC 1068, som har et overskud på 2,9σ over baggrunden. NGC 1068 er et af de nærmeste sorte huller til os; det er indlejret i et stjerneformende område med masser af stof, neutrinoer kan interagere med, mens højenergi gammastrålerne svækkes, som vist ved Fermi og MAGIC målinger. Dette er det mest betydelige overskud set udover TXS 0506+056, 2017 -kilden, som IceCube viste sig at være sammenfaldende med en gammastrålebluss. Stadig, disse potentielle neutrino-kilder kræver flere data med en mere følsom detektor, som IceCube-Gen2, skal bekræftes.

Forskerne fandt også, at kildekataloget på den nordlige halvkugle som helhed adskilte sig fra baggrundsforventninger med en betydning på 3,3σ. Carver siger, at disse resultater viser en stærk motivation til at fortsætte med at analysere objekterne i kataloget. Tidsafhængige analyser, som søger efter blusser med maksimal emission, og muligheden for at korrelere neutrino -emission med elektromagnetiske eller gravitationsbølgeobservationer for disse og andre kilder kan give yderligere bevis for neutrino -emission og indsigt i neutrinoernes oprindelse. Med fortsat datatagning, mere raffineret retning rekonstruktion, og den kommende IceCube -opgradering, yderligere forbedringer i følsomhed er på trapperne.

"Vi er heldige at have den unikke mulighed for at være de første mennesker til at kortlægge universet med neutrinoer, som giver et helt nyt perspektiv, "siger Carver." Også, denne fremgang i neutrino-astronomi ledsages af store fremskridt inden for gravitationsbølgefysik og kosmisk strålefysik. "

Montaruli tilføjer, "Mens vi er ved begyndelsen af ​​en ny æra inden for astronomi, der observerer universet ikke kun med lys, Dette er første gang, vi er begyndt at se potentielt betydelige overskridelser af kandidatneutrino-begivenheder omkring interessante ekstragalaktiske objekter i tidsuafhængige søgninger. "