Naukowcy wyjaśniają, jakie jest pochodzenie wysokoenergetycznych neutrin, czyli cząstek elementarnych, które docierają do naszej planety z głębi Wszechświata.
Wysokoenergetyczne i trudne do wykrycia neutrina podróżują miliardy lat świetlnych, zanim dotrą do Ziemi. Chociaż wiadomo, że te cząstki elementarne pochodzą z głębi Wszechświata, ich źródło pozostaje tajemnicą. Międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez Uniwersytet w Würzburgu i Uniwersytet Genewski (UNIGE), pokazuje, że neutrina mogą powstawać w blazarach, czyli jądrach galaktyk zasilanych przez supermasywne czarne dziury.
Atmosfera naszej planety jest nieustannie bombardowana przez promieniowanie kosmiczne. Jest to promieniowanie złożone, mające część korpuskularną, jak i elektromagnetyczną, które docierają do Ziemi z przestrzeni kosmicznej. Korpuskularna część promieniowania składa się głównie z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok. 1%) i nielicznych cięższych jąder. Promieniowanie docierające bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej nazywamy promieniowaniem kosmicznym pierwotnym. Cząstki docierające do Ziemi w wyniku reakcji promieniowania kosmicznego pierwotnego z jądrami atomów gazów atmosferycznych, to promieniowanie wtórne.
Na ilustracji: Proton produkujący kaskadę cząstek wtórnych w atmosferze Ziemi. Źródło: Wikipedia.
W promieniowaniu kosmicznym można znaleźć cząstki o niezwykle wysokich energiach dochodzących do 1020 elektronowoltów. Dla porównania, jest to milion razy więcej niż energia osiągnięta w najpotężniejszym na świecie akceleratorze cząstek, Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN pod Genewą. Te najbardziej energetyczne cząstki pochodzą z głębokiej przestrzeni kosmicznej i przebyły miliardy lat świetlnych. Skąd się biorą i co nadaje im tak wysoką energię? Te pytania pozostają jednym z największych wyzwań astrofizyki od ponad wieku.
Neutrina powstają w miejscach, w których rodzą się gwiazdy. Te neutralne cząstki są bardzo trudne do wykrycia. Nie mają prawie żadnej masy i niemal nie oddziałują z materią. Mknąc przez Wszechświat mogą przenikać przez galaktyki, planety i ludzkie ciało nie pozostawiając po sobie prawie żadnego śladu. Neutrina astrofizyczne są produkowane wyłącznie w procesach związanych z przyspieszaniem cząstek składających się na promieniowanie kosmiczne, co sprawia, że mogą one wskazać lokalizację swoich źródeł.
Pomimo ogromnej ilości danych zgromadzonych przez astrofizyków, związek wysokoenergetycznych neutrin ze źródłami astrofizycznymi, które je tworzą, od lat pozostaje nierozwiązanym problemem. Prof. Sara Buson zawsze uważała to za duże wyzwanie. W 2017 roku w publikacji w czasopiśmie „Science Buson” ze swoim zespołem zaproponowali blazar TXS 0506+056 jako potencjalne źródło neutrin. Blazary to aktywne jądra galaktyczne zasilane przez supermasywne czarne dziury, które emitują znacznie więcej promieniowania niż cała ich galaktyka. Publikacja ta wywołała gorącą dyskusję naukową na temat tego, czy rzeczywiście istnieje związek między blazarami a neutrinami o wysokiej energii.
Na ilustracji: Mapa nieba we współrzędnych równikowych. Lokalizacje blazarów, będących prawdopodobnymi źródłami neutrin są zaznaczone czarnymi kwadratami. Kółko wskazuje lokalizację blazara TXS 0506+056. Płaszczyzna Galaktyki i centrum Galaktyki (GC) są zaznaczone jako, odpowiednio, zielona linia i gwiazdka. Źródło: Busan i in., ApJL, 933, L43
W czerwcu 2021 r. grupa prof. Buson rozpoczęła ambitny projekt badawczy o akronimie MessMapp, który jest finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Projekt ten polega na analizowaniu różnych sygnałów, tzw. „posłańców”, którymi mogą być np. neutrina. Głównym celem tego projektu jest rzucenie światła na pochodzenie astrofizycznych neutrin i, jeśli zostanie to potwierdzone, wykazanie, że blazary są ich głównym źródłem.
Andrea Tramacere jest jednym z ekspertów w numerycznym modelowaniu procesów przyspieszenia i mechanizmów radiacyjnych działających w relatywistycznych dżetach, czyli wypływach przyśpieszonej materii zbliżającej się do prędkości światła. Tramacere bada procesy akrecji i rotacji czarnej dziury, które prowadzą do powstania relatywistycznych dżetów, w których cząstki są przyspieszane i emitują promieniowanie o energii sięgającej tysiąca miliardów energii światła widzialnego. Odkrycie związku między tymi obiektami a promieniowaniem kosmicznym może stać się „kamieniem z Rosetty” astrofizyki wysokich energii.
W swoich badaniach zespół wykorzystuje dane zebrane przez Obserwatorium Neutrino IceCube na Antarktydzie, w którym znajduje się najbardziej czuły obecnie działający detektor neutrin, oraz dane zawarte w katalogu blazarów BZCat. Dzięki tym danym badacze pokazali, że blazary, których położenie pokrywa się z położeniem źródeł neutrin, nie znajdują się tam przypadkiem, ale że musi istnieć między nimi związek.
Animacja pokazuje proces detekcji wysokoenergetycznych neutrin w obserwatorium IceCube. W tej animacji neutrino o nazwie IceCube IC170922 dociera do Antarktydy z miejsca odległego od Ziemi o 4 miliardy lat świetlnych. Neutrino wchodzi w interakcję z cząsteczką lodu, produkując wysokoenergetyczną cząstkę wtórną – mion. Wyprodukowany mion wpada do IceCube i przechodzi przez detektor, pozostawiając za sobą ślad niebieskiego światła, które jest rejestrowane przez czujniki IceCube.
Zespół prof. Buzan jest przekonany, że opublikowane niedawno odkrycie jest wierzchołkiem góry lodowej. Gdy badacze zrozumieją, na czym polega różnica między obiektami, które emitują neutrina, a tymi, które ich nie emitują, pomoże to im wykluczyć niektóre modele astrofizyczne i dodać więcej elementów do układanki obrazującej fizykę przyspieszania promieni kosmicznych.
Więcej informacji:
- Publikacja Beginning a Journey Across the Universe: The Discovery of Extragalactic Neutrino Factories, Sara Buson i in. Astrophysical Journal Letters, 933, str. L43
- Opis projektu badawczego MessMap
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Blazar jako źródło pozagalaktycznych neutrin. © Benjamin Amend
