Blazar źródłem wysokoenergetycznych neutrin

Blazary, czyli pewne typy aktywnych galaktyk, mogą być obiektami emitującymi neutrina! Tak wynika z najnowszych badań z udziałem Obserwatorium IceCube. Astronomowie wskazują po raz pierwszy prawdopodobne źródło związanych z nimi, wysokoenergetycznych promieni kosmicznych.
 

Neutrina to ultralekkie cząstki elementarne, które bardzo słabo oddziałują ze zwykłą materią. Nie posiadają ładunku elektrycznego i mają przy tym znikomą masę. Dzięki tym właściwościom mogą podróżować bez przeszkód na duże odległości we Wszechświecie. Trudno jest je wykryć, bo bez trudu (i zarazem bez śladu) przenikają większość obiektów. Dotąd znaliśmy jedynie dwa źródła kosmicznych neutrin: Słońce i pobliską supernową. Astrofizycy nie znaleźli ani jednego więcej przez blisko 30 lat. Jednak 22 września 2017 roku w Obserwatorium IceCube zlokalizowanym w pobliżu Bieguna Południowego na Antarktydzie wykryto wysokoenergetyczne neutrina pochodzące z całkiem nowego kierunku w przestrzeni kosmicznej - spoza naszej Mlecznej Drogi. Od tego czasu naukowcy szukali ich źródeł.
 
Dziś IceCube Collaboration informuje o wykryciu strumienia neutrin o wysokiej energii, którego kierunek jest zgodny z lokalizacją  znanego blazara, czyli kwazara - aktywnego jądra galaktycznego, w którym materiał wpadający w supermasywną czarną dziurę na drodze akrecji wytwarza silny dżet (strumień plazmy) zorientowany bezpośrednio wzdłuż linii wzroku obserwatora znajdującego się na Ziemi. Naukowcy postanowili zaobserwować ten obiekt dokładniej także w świetle widzialnym, aby lepiej poznać jego właściwości. Okazuje się, że blazar TXS 0506+056 w momencie przybycia do nas neutrin wykrytych we wrześniu 2017 roku był także w stanie "migotania" w dziedzinie optycznej, emitując przy tym silne i zmienne promieniowanie na różnych długościach fal elektromagnetycznych.

Artystyczne wyobrażenie Obserwatorium Neutrinowego IceCube na Antarktydzie. Sferyczne cyfrowe moduły optyczne (DOM), każdy o średnicy około 35 cm, są umieszczone na linach na głębokości do 2,5 km w lodzie. Ponad 5000 takich kopuł DOM tworzy detektor sześcienny o wadze ponad miliarda ton. DOM-y wykrywają słabe błyski światła powstające wtedy, gdy wysokoenergetyczne neutrina wchodzą w interakcję z lodem.
Źródło: Jamie Yang and Savannah Guthrie/IceCube/NSF

Obserwacje wykonywano zatem w całym zakresie spektrum elektromagnetycznego, od fal radiowych po promienie gamma. Podczas kolejnych badań obiektu zmotywowany tym odkryciem, oddzielny zespół IceCube Collaboration przeszukał zapisy obserwacji neutrin wykrywanych przez IceCube do prawie dziesięciu lat wstecz przed silnym rozbłyskiem z roku 2017. Znaleziono istotny nadmiar “zdarzeń neutrinowych” pochodzących z kierunku odpowiadającego lokalizacji blazara TXS 0506+056. Świadczy to prawdopodobnie o tym, że obiekt ten produkował neutrina w wielu seriach związanych z jego rozbłyskami. Badania te pokazują, że wysokoenergetyczne neutrina są więc także produkowane przez blazary - to pierwszy taki przypadek w historii, który zapewne zrewolucjonizuje całą fizykę neutrin.

Na rysunku: Neutrino oddziaływujące z cząsteczką lodu i w efekcie wytwarzające inną cząsteczkę - mion - który porusza się z prędkością relatywistyczną w lodzie, pozostawiając za sobą ślad niebieskiego światła.
Źródło: Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

Warto dodać, że neutrina z TXS 0506+056. na swej drodze ku Ziemi musiały pokonać około 4 miliardów lat świetlnych. Późniejsze obserwacje z udziałem sieci interferometrycznej Very Large Array w Nowym Meksyku (VLA) pokazały, w jaki sposób aż tak energetyczne promieniowanie kosmiczne może powstawać w jądrach odległych galaktyk. Podobnie jak większość galaktyk aktywnych, blazary mają w swoich centrach supermasywne czarne dziury. Silna grawitacja czarnej dziury wciąga materiał, który tworzy gorący i obracający się dysk akrecyjny. Strumienie cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła są wówczas wyrzucane prostopadle do tego dysku pod wpływem pól magnetycznych czarnych dziur. Blazary charakteryzują się tym, że jeden z takich strumieni jest w ich przypadku skierowany dokładnie ku Ziemi (jest to efekt geometryczny).

Teoretycy sugerują, że te potężne strumienie plazmy mogą znacznie przyspieszać protony, elektrony lub całe jądra atomowe, przeobrażające je w najbardziej energetyczne cząstki znane w kosmosie - promieniowanie kosmiczne o ultrawysokich energiach. Promienie kosmiczne mogą wówczas wchodzić w interakcję z pobliską materią i wytwarzać w efekcie wysokoenergetyczne fotony i neutrina, takie jak te wykrywane przez IceCube.

Na rysunku: Schemat budowy galaktyki aktywnej typu blazar. Źródło: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Promienie kosmiczne odkrył w 1912 roku fizyk Victor Hess. Kolejne badania wykazały, że mogą być one protonami, elektronami lub jądrami atomowymi, które zostały przyspieszone do prędkości zbliżonych do prędkości światła, co daje niektórym z nich energie o wiele większe niż energie najsilniejszych nawet fal elektromagnetycznych.  Dlatego też poza jądrami aktywnych galaktyk to właśnie wybuchające supernowe są bardzo prawdopodobnymi miejscami ich powstawania.

Jeśli chodzi o same neutrina, to podobnie jak wiele zjawisk i obiektów fizycznych zostały one początkowo przewidziane teoretycznie. Dokonał tego w 1930 roku Wolfgang Pauli, próbując rozwikłać zagadkę brakującej energii podczas rozpadu radioaktywnego beta. Eksperymentalne potwierdzenie istnienia neutrin nastąpiło dopiero w roku 1956. W lutym 1987 neutrina powstałe w wyniki wybuchu supernowej SN1987A w Wielkim Obłoku Magellana dotarły do Ziemi. Wykryto je z pomocą japońskiego obserwatorium neutrinowego Kamiokande.

Obserwacje radiowe z użyciem anten VLA wykazały, że także emisja radiowa blazara TXS 0506+056 była silnie zmienna w momencie wykrycia neutrin i przez dwa miesiące po nim. Zmieniała się wówczas również częstotliwość odpowiadająca najjaśniejszej emisji radiowej. Blazar ten przez szereg lat był także monitorowany za pomocą sieci VLBA (interferometria wielkobazowa), która daje najbardziej szczegółowe obrazy radiowe odległych obiektów. Dane pokazują, że obiekt posiada jasne zgęszczenia emisji radiowej, które poruszają się w strumieniach emitowanej plazmy (dżetach) z prędkością bliską prędkości światła. Są one prawdopodobnie efektem istnienia gęstszych zbitków materiału wyrzucanego sporadycznie przez centrum aktywnej galaktyki. Naukowcy podejrzewają, że mogą być one związane z generowaniem wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, w tym neutrin, jakie wykyły detektory IceCube.

Naukowcy nadal badają TXS 0506 + 056. Omawiana tu praca autorstwa G. R. Sivakoffa i wielu astronomów z całego świata pojawiła się w nowym wydaniu Science.


Czytaj więcej:

 

Źródło: IceCube Collaboration/Science

Na zdjęciu powyżej: Obserwatorium IceCube na Antarktydzie i zorza.
Źródło: Icecube/NSF