En kunstners illustrasjon av en blazar som den som nylig har funnet ut til å akselerere nøytrinoer og kosmiske stråler til enorme hastigheter. Det supermassive, svarte hullet i midten av akkresjonsskiven sender en smal høyenergi-jetstråle ut i rommet, vinkelrett på disken.
(Bilde: © DESY, Science Communication Lab)
Astronomer har sporet en høyenerginøytrino til den kosmiske kilden for første gang noensinne, og løst et århundre gammelt mysterium i prosessen.
Neutrino er nesten masseløse subatomære partikler som ikke har noen elektrisk ladning og interagerer derfor sjelden med omgivelsene. Faktisk strømmer billioner av disse "spøkelsespartiklene" gjennom kroppen din ubemerket og uhindret hvert sekund.
De fleste av disse nøytrinoene kommer fra solen. Men en liten prosentandel, som kan skryte av ekstremt høye energier, har raket til skogens hals fra veldig dyp plass. Den iboende unnvikeligheten av nøytrinoer har forhindret astronomer i å feste opprinnelsen til slike kosmiske vandrere - til nå. [Spore en nøytrino til sin kilde: oppdagelsen i bilder]
Observasjoner fra IceCube Neutrino-observatoriet ved Sydpolen og en rekke andre instrumenter gjorde det mulig for forskere å spore ett kosmisk neutrino til en fjern blazar, en enorm elliptisk galakse med et raskt spinnende supermassivt svart hull i hjertet.
Og det er mer. Kosmiske nøytrinoer går hånd i hånd med kosmiske stråler, svært energiske ladede partikler som smeller kontinuerlig inn i planeten vår. Så de nye finner knagger blazars som akseleratorer av minst noen av de raskest bevegelige kosmiske strålene også.
Astronomer har lurt på dette siden kosmiske stråler ble først oppdaget, allerede tilbake i 1912. Men de har blitt forhindret av partiklenes ladede natur, som dikterer at kosmiske stråler blir trukket på denne måten og at av forskjellige gjenstander når de zoomer gjennom rommet. Suksessen kom til slutt fra å bruke den rette linjen til en spøkelsespartikkel av andre reisende.
"Vi har lett etter kildene til kosmiske stråler i mer enn et århundre, og vi endelig fant en," sa Francis Halzen, hovedforsker ved IceCube Neutrino Observatory og professor i fysikk ved University of Wisconsin-Madison, fortalte Space. com. [Skitne fysikk: De kuleste små partiklene i naturen]
En laginnsats
IceCube, som administreres av U.S. National Science Foundation (NSF), er en dedikert nøytrinojeger. Anlegget består av 86 kabler, som ligger innenfor borehull som strekker seg 2,5 kilometer inn i Antarktisisen. Hver kabel har på sin side 60 digitale optiske moduler i basketball-størrelse, som er utstyrt med følsomme lysdetektorer.
Disse detektorene er designet for å plukke opp det karakteristiske blå lyset som sendes ut etter at en nøytrino samhandler med en atomkjerne. (Dette lyset blir kastet av en sekundærpartikkel skapt av samspillet. Og i tilfelle du lurte på: Alt det som ligger over is hindrer andre partikler enn nøytrinoer i å nå detektorene og tilsmusser dataene.) Dette er sjeldne hendelser; IceCube oppdager bare et par hundre nøytrinoer per år, sa Halzen.
Anlegget har allerede gitt store bidrag til astronomi. I 2013 gjorde for eksempel IceCube den første bekreftede deteksjonen av nøytrinoer utenfor Melkeveien. Forskere klarte ikke å finne kilden til de høye energi spøkelsespartiklene den gangen.
22. september 2017 hentet imidlertid IceCube en annen kosmisk nøytrino. Det var ekstremt energisk og pakket rundt 300 teraelektron volt - nesten 50 ganger større enn energien til protonene som syklet gjennom jordas kraftigste partikkelakselerator, Large Hadron Collider.
Innen 1 minutt etter deteksjonen sendte anlegget ut en automatisk varsling, og advarte andre astronomer om funnet og videresendte koordinater til himmelplasteret som så ut til å huse partikkelen sin kilde.
Samfunnet svarte: Nesten 20 teleskoper på bakken og i verdensrommet skurde de som plaster over det elektromagnetiske spekteret, fra lavenergi-radiobølger til høyenergi-stråler. De kombinerte observasjonene sporet nøytrinoens opprinnelse til en allerede kjent blazar kalt TXS 0506 + 056, som ligger omtrent 4 milliarder lysår fra Jorden.
For eksempel avslørte oppfølgingsobservasjoner av flere forskjellige instrumenter - inkludert NASAs jordomløpende Fermi Gamma-ray Space Telescope og Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) på Kanariøyene - et kraftig utbrudd av gammastrålelys som fakler fra TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: Photos by NASA's Fermi Space Telescope]
IceCube-teamet gikk også gjennom arkivdataene sine og fant mer enn et dusin andre kosmiske nøytrinoer som så ut til å komme fra samme blazar. Disse ekstra partiklene ble plukket opp av detektorene fra slutten av 2014 til begynnelsen av 2015.
"Alle brikkene passer sammen," sa Albrecht Karle, en senior IceCube-vitenskapsmann og UW-Madison fysikkprofessor, i en uttalelse. "Neutrino-oppblussingen i arkivdataene våre ble uavhengig bekreftelse. Sammen med observasjoner fra de andre observatoriene er det overbevisende bevis for at denne blazaren er en kilde til ekstremt energiske nøytrinoer og dermed kosmiske stråler med høy energi."
Funnene er rapportert i to nye studier publisert online i dag (12. juli) i tidsskriftet Science. Du finner dem her og her.
Multimessenger-astrofysikere øker
Blazars er en spesiell type superluminøs galakse som sprenger ut tvillingstråler med lys og partikler, hvorav den ene er rettet direkte mot jorden. (Det er delvis grunnen til at blazars virker så lyse for oss - fordi vi er i linjen med jet fire.)
Astronomer har identifisert flere tusen blazars i hele universet, og ingen av dem er ennå funnet å slynge nøytrinoer mot oss slik TXS 0506 + 056 er.
"Det er noe spesielt med denne kilden, og vi må finne ut hva det er," sa Halzen til Space.com.
Det er bare ett av mange spørsmål som er reist av de nye resultatene. For eksempel vil Halzen også gjerne vite akselerasjonsmekanismen: Hvordan, nøyaktig, får blazars nøytrinoer og kosmiske stråler opp til så enorme hastigheter?
Halzen uttrykte optimisme med å svare på slike spørsmål i relativt nær fremtid og siterer kraften til "multimessenger-astrofysikk" - bruken av minst to forskjellige typer signaler for å forhøre kosmos - som vises i de to nye studiene.
Neutrino-oppdagelsen følger nøye med på hælene til et annet multimessenger landemerke: I oktober 2017 kunngjorde forskere at de hadde analysert en kollisjon mellom to superdette nøytronstjerner ved å observere både den elektromagnetiske strålingen og tyngdekraften som ble avgitt under den dramatiske hendelsen.
"Tiden for multimessenger-astrofysikk er her," sa NSF-direktør France Cordova i samme uttalelse. "Hver messenger - fra elektromagnetisk stråling, gravitasjonsbølger og nå nøytrinoer - gir oss en mer fullstendig forståelse av universet og viktig ny innsikt i de kraftigste objektene og hendelsene på himmelen."
