Cząstki-duchy - zbliżamy się do rozwikłania kosmicznej zagadki

Będące częścią rodziny fundamentalnych cząstek, które budują całą znaną materię, neutrina poruszają się bez przeszkód we wszechświecie i nie wchodzą w interakcję praktycznie z niczym. Większość z nich przenika Ziemię tak, jakby jej nie było, co sprawia, że wyjątkowo trudno jest je wykryć i badać.

Mimo tego, naukowcy odkryli, że wiele z neutrin powstaje w Słońcu, a nawet w naszej własnej atmosferze. Jednak źródło jednej grupy wysokoenergetycznych neutrin znanych jako neutrina kosmiczne pozostaje szczególnie nieuchwytne. Dopiero teraz okazało się, że odległe galaktyki zasilane supermasywnymi czarnymi dziurami mogą strzelać wiązkami kosmicznych neutrin prosto w kierunku Ziemi.

Wszystko zaczyna się w IceCube, bardzo czułym detektorze zakopanym ok. 2 km pod antarktycznym lodem, niedaleko stacji Amundsen-Scott na biegunie południowym.

- Aby uzyskać wymierny sygnał z niewielkiej frakcji neutrin, które wchodzą w interakcję, fizycy muszą budować niezwykle duże detektory - powiedziała dr Susan Cartwright, fizyk cząstek elementarnych z Uniwersytetu w Sheffield.

Pomiary kosmicznych neutrin w porównaniu do tych, które pochodzą z odległości bliższych Ziemi są jak próby "liczenia świetlików podczas pokazu sztucznych ogni". Jednak 22 września 2017 r. jedno z tych neutrin pojawiło się w pobliżu układu IceCube i dość niespodziewanie weszło w interakcję z otaczającym materiałem, tworząc kolejną cząstkę elementarną zwaną mionem. Ten przebił się przez lód w tym samym kierunku, co neturino, iskrząc się w innych atomach i tworząc widoczny ślad, który IceCube mógł schwytać.

- IceCube mierzy ten szlak świetlny. Możemy to zrobić całkiem precyzyjnie, dzięki czemu możemy zmierzyć kierunek toru neutrinowego - powiedział prof. Albrecht Karle z Uniwersytetu w Wisconsin-Madison.

Wykorzystując te zależności, IceCube może obliczyć przybliżony obszar nieba, z którego podróżowała cząstka.

W ciągu zaledwie 43 sekund wysłano alarm do teleskopów, aby natychmiast rozpoczęły obserwacje konkretnego wycinka nocnego nieba. To wynik decyzji sprzed dwóch lat, kiedy to zespół IceCube zdecydował, że zamiast samodzielnie gromadzić dane do publikacji, będzie wysyłać je do innych astronomów, zapraszając innych badaczy do namierzaniu neutrin, gdy tylko zostaną wykryte.

- Tradycyjnie w astronomii patrzymy na obraz nieba, jakby było statyczne, ale w rzeczywistości jest to film, w którym przez cały czas pojawiają się błyski i rzeczy, które po chwili znikają. Zamiast kolekcjonować dane i udostępniać je astronomom trzy lata później po publikacji badań, zmieniliśmy podejście. Przeszliśmy do czasu rzeczywistego - powiedział prof. Karle.

Swoje zainteresowanie namierzeniem neutrin błyskawicznie zgłosiło aż osiem różnych obserwatoriów.

Najtrudniejszą częścią jest to, że nawet jeśli IcCube potrafi namierzyć pochodzenie neutrin z dokładnością do połowy stopnia nieba, to nadal jest to obszar mniej więcej wielkości Księżyca widzianego z powierzchni Ziemi. Taki region może obejmować wiele galaktyk i znacznie bardziej egzotycznych obiektów. Ale tym razem naukowcom się poszczęściło.

Galaktyka zawierająca "potworną" czarną dziurę około 100 mln razy większą od Słońca znajdowała się dokładnie tam, gdzie podejrzewano. I to właśnie ona była źródłem kosmicznych neutrin, które dotarły na Ziemię.

Około 4 mld lat świetlnych od Ziemi, tuż za lewym ramieniem konstelacji Oriona, znajduje się galaktyka o intensywnie jasnym rdzeniu, którego źródłem jest czarna dziura znajdująca się w centrum. Gdy dostaje się do niej materia, rozległe strumienie naładowanych cząstek są wyrzucane z niej pod kątem prostym, czyniąc z czarnej dziury gigantyczny akcelerator cząstek.

- Strumienie wyrzucane przez galaktykę mogą rozciągać się nawet na milion lat świetlnych. Te akceleratory są znacznie większe od Wielkiego Zderzacza Hadronów. Jesteśmy na linii ognia i patrzymy w oko potwora - wyjaśnił prof. Karle.

Neutrino wykryte przez IceCube przybyło z 40 razy większą energią niż cząstki przyspieszane w CERN, nie tracąc jej, pomimo długiej podróży. Ten konkretny typ galaktyk produkujący wysokoenergetyczne cząstki jest znany jako blazar. Obserwowane widmo promieniowania blazara w znacznej mierze pochodzi od relatywistycznego dżetu skierowanego w stronę obserwatora, czyli Ziemi. Do klasy blazarów należą niektóre kwazary i lacertydy.

Chociaż blazary początkowo nie znajdowały się wysoko na liście potencjalnych źródeł neutrin kosmicznych, pozyskane dowody świadczą właśnie o takim ich pochodzeniu.

- To niezwykle ekscytująca wiadomość. Możemy mieć nadzieję, że po tej obserwacji nastąpi identyfikacja kolejnych neutrin pochodzących z blazarów. Szansa, że nadmiar neutrin pojawia się przypadkowo, jest niższy niż 0,03 procent - powiedziała dr Cartwright.

Potwierdzenie odkrycia za pomocą innych obserwatoriów, takich jak VLT w Chile, to sukces szeroko rozwijającej się astronomii multisygnałowej, w której do detekcji są wykorzystywane dane elektromagnetyczne, takie jak sygnały wizualne i radiowe z tymi pochodzącymi z fal grawitacyjnych oraz neutrin.