Ένας νέος χάρτης του σύμπαντος, ζωγραφισμένος με κοσμικά νετρίνα | Περιοδικό Quanta

Από τα 100 τρισεκατομμύρια νετρίνα που περνούν από μέσα σας κάθε δευτερόλεπτο, τα περισσότερα προέρχονται από τον ήλιο ή την ατμόσφαιρα της Γης. Αλλά ένα σωρό από τα σωματίδια - αυτά που κινούνται πολύ πιο γρήγορα από τα υπόλοιπα - ταξίδεψαν εδώ από ισχυρές πηγές πιο μακριά. Για δεκαετίες, οι αστροφυσικοί αναζήτησαν την προέλευση αυτών των «κοσμικών» νετρίνων. Τώρα, το Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube έχει επιτέλους συγκεντρώσει αρκετά από αυτά για να αποκαλύψει ενδεικτικά μοτίβα από πού προέρχονται.

Σε έγγραφο που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Επιστήμη, η ομάδα αποκάλυψε τον πρώτο χάρτη του Γαλαξία σε νετρίνα. (Συνήθως ο γαλαξίας μας χαρτογραφείται με φωτόνια, σωματίδια φωτός.) Ο νέος χάρτης δείχνει μια διάχυτη ομίχλη κοσμικών νετρίνων που προέρχονται από όλο τον Γαλαξία μας, αλλά περιέργως, δεν ξεχωρίζουν μεμονωμένες πηγές. «Είναι ένα μυστήριο», είπε Φράνσις Χάλζεν, ο οποίος ηγείται του IceCube.

Τα αποτελέσματα ακολουθούν ένα Μελέτη IceCube από το περασμένο φθινόπωρο, επίσης στο Επιστήμη, ήταν το πρώτο που συνέδεσε τα κοσμικά νετρίνα με μια μεμονωμένη πηγή. Έδειξε ότι ένα μεγάλο κομμάτι των κοσμικών νετρίνων που έχουν ανιχνευθεί μέχρι στιγμής από το παρατηρητήριο προέρχονται από την καρδιά ενός «ενεργού» γαλαξία που ονομάζεται NGC 1068. Στον λαμπερό πυρήνα του γαλαξία, η ύλη σπειροειδής σε μια κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, δημιουργώντας κατά κάποιο τρόπο κοσμικά νετρίνα κατά τη διάρκεια.

«Είναι πραγματικά ευχάριστο», είπε Κέιτ Σόλμπεργκ, ένας φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο Duke που δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Στην πραγματικότητα έχουν εντοπίσει έναν γαλαξία. Αυτό είναι το είδος του πράγματος που όλη η κοινότητα της αστρονομίας νετρίνων προσπαθεί να κάνει για πάντα».

Ο εντοπισμός των κοσμικών πηγών νετρίνων ανοίγει τη δυνατότητα χρήσης των σωματιδίων ως νέου ανιχνευτή της θεμελιώδης φυσικής. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι τα νετρίνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ανοίξουν ρωγμές στο κυρίαρχο Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και ακόμη και να δοκιμάσουν κβαντικές περιγραφές της βαρύτητας.

Ωστόσο, ο εντοπισμός της προέλευσης τουλάχιστον ορισμένων κοσμικών νετρίνων είναι μόνο ένα πρώτο βήμα. Λίγα είναι γνωστά για το πώς η δραστηριότητα γύρω από μερικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δημιουργεί αυτά τα σωματίδια και μέχρι στιγμής τα στοιχεία δείχνουν πολλαπλές διαδικασίες ή περιστάσεις.

Περιζήτητη προέλευση

Καθώς είναι άφθονα, τα νετρίνα συνήθως περνούν με φερμουάρ στη Γη χωρίς να αφήνουν ίχνη. Έπρεπε να κατασκευαστεί ένας υπέροχα τεράστιος ανιχνευτής για να ανιχνεύσει αρκετά από αυτά ώστε να αντιληφθούν τα μοτίβα προς τις κατευθύνσεις από τις οποίες φτάνουν. Το IceCube, που κατασκευάστηκε πριν από 12 χρόνια, αποτελείται από σειρές ανιχνευτών μήκους χιλιομέτρων που τρυπούνται βαθιά στον πάγο της Ανταρκτικής. Κάθε χρόνο, το IceCube ανιχνεύει περίπου μια ντουζίνα κοσμικά νετρίνα με τόσο υψηλή ενέργεια που ξεχωρίζουν ξεκάθαρα απέναντι σε μια ομίχλη από ατμοσφαιρικά και ηλιακά νετρίνα. Πιο περίπλοκες αναλύσεις μπορούν να αποκαλύψουν επιπλέον υποψήφια κοσμικά νετρίνα από τα υπόλοιπα δεδομένα.

Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν ότι τέτοια ενεργητικά νετρίνα θα μπορούσαν να προκύψουν μόνο όταν ταχέως κινούμενοι ατομικοί πυρήνες, γνωστοί ως κοσμικές ακτίνες, συγκρούονται με υλικό κάπου στο διάστημα. Και πολύ λίγα μέρη στο σύμπαν έχουν μαγνητικά πεδία αρκετά ισχυρά για να χτυπήσουν τις κοσμικές ακτίνες σε επαρκείς ενέργειες. Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, οι υπερφωτεινές λάμψεις φωτός που συμβαίνουν όταν μερικά αστέρια γίνονται σουπερνόβα ή όταν αστέρια νετρονίων σπειροειδώς το ένα μέσα στο άλλο, θεωρούνταν από καιρό ως μια από τις πιο εύλογες επιλογές. Η μόνη πραγματική εναλλακτική ήταν οι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες, ή AGNs—γαλαξίες των οποίων οι κεντρικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες εκτοξεύουν σωματίδια και ακτινοβολία καθώς πέφτει η ύλη.

Η θεωρία έκρηξης ακτίνων γάμμα έχασε έδαφος το 2012, όταν οι αστροφυσικοί συνειδητοποίησαν ότι αν ευθύνονταν αυτές οι φωτεινές εκρήξεις, θα περιμέναμε να δούμε πολλά ακόμη κοσμικά νετρίνα παρά εμείς. Ωστόσο, η διαμάχη δεν είχε επιλυθεί.

Στη συνέχεια, το 2016, ο IceCube άρχισε να στέλνει ειδοποιήσεις κάθε φορά που εντόπιζαν ένα κοσμικό νετρίνο, ωθώντας άλλους αστρονόμους να εκπαιδεύσουν τηλεσκόπια προς την κατεύθυνση από την οποία προερχόταν. Τον επόμενο Σεπτέμβριο, διστακτικά ταίριαξε ένα κοσμικό νετρίνο με έναν ενεργό γαλαξία που ονομάζεται TXS 0506+056, ή TXS για συντομία, που εξέπεμπε εκλάμψεις ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα ταυτόχρονα. «Αυτό σίγουρα προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον», είπε Μάρκος Σανταντέρ, συνεργάτης του IceCube στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα.

Όλο και περισσότερα κοσμικά νετρίνα συγκεντρώθηκαν και ένα άλλο κομμάτι του ουρανού άρχισε να ξεχωρίζει με φόντο τα ατμοσφαιρικά νετρίνα. Στη μέση αυτού του μπαλώματος βρίσκεται ο κοντινός ενεργός γαλαξίας NGC 1068. Η πρόσφατη ανάλυση του IceCube δείχνει ότι αυτή η συσχέτιση σχεδόν σίγουρα ισούται με την αιτιότητα. Ως μέρος της ανάλυσης, οι επιστήμονες του IceCube βαθμολόγησαν εκ νέου το τηλεσκόπιό τους και χρησιμοποίησαν τεχνητή νοημοσύνη για να κατανοήσουν καλύτερα την ευαισθησία του σε διαφορετικά σημεία του ουρανού. Βρήκαν ότι υπάρχει μικρότερη από 1 στις 100,000 πιθανότητες ότι η αφθονία των νετρίνων που προέρχονται από την κατεύθυνση του NGC 1068 είναι μια τυχαία διακύμανση.

Η στατιστική βεβαιότητα ότι το TXS είναι μια κοσμική πηγή νετρίνων δεν είναι πολύ πίσω, και τον Σεπτέμβριο, το IceCube κατέγραψε ένα νετρίνο πιθανότατα από την περιοχή του TXS που δεν έχει αναλυθεί ακόμη.

«Ήμασταν μερικώς τυφλοί. είναι σαν να έχουμε στρέψει την εστίαση», είπε ο Halzen. «Ο αγώνας ήταν μεταξύ εκρήξεων ακτίνων γάμμα και ενεργών γαλαξιών. Αυτός ο αγώνας έχει αποφασιστεί».

Ο Φυσικός Μηχανισμός

Αυτά τα δύο AGN φαίνεται να είναι οι φωτεινότερες πηγές νετρίνων στον ουρανό, ωστόσο, παραδόξως, είναι πολύ διαφορετικά. Το TXS είναι ένας τύπος AGN γνωστός ως blazar: εκτοξεύει έναν πίδακα ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας απευθείας προς τη Γη. Ωστόσο, δεν βλέπουμε κανένα τέτοιο πίδακα να δείχνει το δρόμο μας από το NGC 1068. Αυτό υποδηλώνει ότι διαφορετικοί μηχανισμοί στην καρδιά των ενεργών γαλαξιών θα μπορούσαν να δημιουργήσουν κοσμικά νετρίνα. «Οι πηγές φαίνεται να είναι πιο διαφορετικές», είπε Τζούλια Τζους, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ρουρ στο Μπόχουμ στη Γερμανία και μέλος του IceCube.

Ο Halzen υποπτεύεται ότι υπάρχει κάποιο υλικό που περιβάλλει τον ενεργό πυρήνα στο NGC 1068 που εμποδίζει την εκπομπή ακτίνων γάμμα καθώς παράγονται νετρίνα. Αλλά ο ακριβής μηχανισμός είναι εικασία του καθενός. «Γνωρίζουμε πολύ λίγα για τους πυρήνες των ενεργών γαλαξιών επειδή είναι πολύ περίπλοκοι», είπε.

Τα κοσμικά νετρίνα που προέρχονται από τον Γαλαξία μας μπερδεύουν περαιτέρω τα πράγματα. Δεν υπάρχουν προφανείς πηγές τέτοιων σωματιδίων υψηλής ενέργειας στον γαλαξία μας — συγκεκριμένα, κανένας ενεργός γαλαξιακός πυρήνας. Ο πυρήνας του γαλαξία μας δεν είναι πολυσύχναστος εδώ και εκατομμύρια χρόνια.

Ο Halzen εικάζει ότι αυτά τα νετρίνα προέρχονται από κοσμικές ακτίνες που παράγονται σε μια προηγούμενη, ενεργή φάση του γαλαξία μας. «Πάντα ξεχνάμε ότι κοιτάμε μια στιγμή στο χρόνο», είπε. «Οι επιταχυντές που έκαναν αυτές τις κοσμικές ακτίνες μπορεί να τις έκαναν πριν από εκατομμύρια χρόνια».

Αυτό που ξεχωρίζει στη νέα εικόνα του ουρανού είναι η έντονη φωτεινότητα πηγών όπως το NGC 1068 και το TXS. Ο Γαλαξίας, γεμάτος με κοντινά αστέρια και ζεστό αέριο, ξεπερνά όλους τους άλλους γαλαξίες όταν οι αστρονόμοι κοιτάζουν με φωτόνια. Αλλά όταν το βλέπουμε σε νετρίνα, «το εκπληκτικό είναι ότι μετά βίας μπορούμε να δούμε τον γαλαξία μας», είπε ο Halzen. «Ο ουρανός κυριαρχείται από εξωγαλαξιακές πηγές».

Παραμερίζοντας το μυστήριο του Γαλαξία μας, οι αστροφυσικοί θέλουν να χρησιμοποιήσουν τις πιο μακρινές, φωτεινότερες πηγές για να μελετήσουν τη σκοτεινή ύλη, την κβαντική βαρύτητα και τις νέες θεωρίες της συμπεριφοράς των νετρίνων.

Ανιχνεύοντας τη Θεμελιώδη Φυσική

Τα νετρίνα προσφέρουν σπάνιες ενδείξεις ότι μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία των σωματιδίων πρέπει να αντικαταστήσει το 50χρονο σύνολο εξισώσεων που είναι γνωστό ως Καθιερωμένο Μοντέλο. Αυτό το μοντέλο περιγράφει στοιχειώδη σωματίδια και δυνάμεις με σχεδόν τέλεια ακρίβεια, αλλά σφάλλει όταν πρόκειται για νετρίνα: Προβλέπει ότι τα ουδέτερα σωματίδια είναι χωρίς μάζα, αλλά δεν είναι — όχι εντελώς.

Οι φυσικοί ανακάλυψαν το 1998 ότι τα νετρίνα μπορούν να αλλάξουν σχήμα μεταξύ των τριών διαφορετικών τύπων τους. ένα νετρίνο ηλεκτρονίων που εκπέμπεται από τον ήλιο μπορεί να μετατραπεί σε νετρίνο μιονίων μέχρι να φτάσει στη Γη, για παράδειγμα. Και για να αλλάξουν σχήμα, τα νετρίνα πρέπει να έχουν μάζα - οι ταλαντώσεις έχουν νόημα μόνο αν κάθε είδος νετρίνων είναι ένα κβαντικό μείγμα τριών διαφορετικών (όλες πολύ μικροσκοπικές) μάζες.

Δεκάδες πειράματα επέτρεψαν στους φυσικούς των σωματιδίων να δημιουργήσουν σταδιακά μια εικόνα των μοτίβων ταλάντωσης διαφόρων νετρίνων — ηλιακών, ατμοσφαιρικών, εργαστηριακών. Αλλά τα κοσμικά νετρίνα που προέρχονται από AGN προσφέρουν μια ματιά στην ταλαντωτική συμπεριφορά των σωματιδίων σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις και ενέργειες. Αυτό τους καθιστά «έναν πολύ ευαίσθητο ανιχνευτή στη φυσική που είναι πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο», είπε Carlos Argüelles-Delgado, ένας φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που είναι επίσης μέρος της εκτεταμένης συνεργασίας IceCube.

Οι κοσμικές πηγές νετρίνων είναι τόσο μακριά που οι ταλαντώσεις των νετρίνων θα πρέπει να είναι θολές - όπου κι αν κοιτάξουν οι αστροφυσικοί, αναμένουν να δουν ένα σταθερό κλάσμα καθενός από τους τρεις τύπους νετρίνων. Οποιαδήποτε διακύμανση σε αυτά τα κλάσματα θα έδειχνε ότι τα μοντέλα ταλάντωσης νετρίνων χρειάζονται επανεξέταση.

Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι τα κοσμικά νετρίνα αλληλεπιδρούν με τη σκοτεινή ύλη καθώς ταξιδεύουν, όπως προβλέπεται από πολλούς μοντέλα σκοτεινού τομέα. Αυτά τα μοντέλα προτείνουν ότι η αόρατη ύλη του σύμπαντος αποτελείται από πολλαπλούς τύπους μη φωτεινών σωματιδίων. Οι αλληλεπιδράσεις με αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα διασκόρπιζαν νετρίνα με συγκεκριμένες ενέργειες και δημιουργήσει ένα κενό στο φάσμα των κοσμικών νετρίνων που βλέπουμε.

Ή η ίδια η κβαντική δομή του χωροχρόνου μπορεί να παρασύρει τα νετρίνα, επιβραδύνοντάς τα. Μια ομάδα με έδρα την Ιταλία πρόσφατα υποστήριξε στο Φύση Αστρονομία ότι τα δεδομένα του IceCube δείχνουν ενδείξεις ότι συμβαίνει αυτό, αλλά άλλοι φυσικοί ήταν δύσπιστοι αυτών των ισχυρισμών.

Φαινόμενα όπως αυτά θα ήταν ελάχιστα, αλλά οι διαγαλαξιακές αποστάσεις θα μπορούσαν να τα μεγεθύνουν σε ανιχνεύσιμα επίπεδα. «Αυτό είναι σίγουρα κάτι που αξίζει να εξερευνήσετε», είπε ο Scholberg.

Ήδη, Argüelles-Ο Delgado και οι συνεργάτες του έχουν χρησιμοποιήσει το διάχυτο υπόβαθρο των κοσμικών νετρίνων - αντί για συγκεκριμένες πηγές όπως το NGC 1068 - για να αναζητήσουν στοιχεία της κβαντικής δομής του χωροχρόνου. Οπως αυτοί αναφέρεται στο Φυσική της Φύσης Τον Οκτώβριο, δεν βρήκαν τίποτα, αλλά η αναζήτησή τους παρεμποδίστηκε από τη δυσκολία διάκρισης της τρίτης ποικιλίας νετρίνου - tau - από ένα νετρίνο ηλεκτρονίων στον ανιχνευτή IceCube. Αυτό που χρειάζεται είναι «καλύτερος προσδιορισμός σωματιδίων», είπε ο συν-συγγραφέας Τεππέι Κατόρι του King's College του Λονδίνου. Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για ξεχώρισε τους δύο τύπους.

Ο Katori λέει ότι η γνώση συγκεκριμένων τοποθεσιών και μηχανισμών κοσμικών πηγών νετρίνων θα πρόσφερε ένα «μεγάλο άλμα» στην ευαισθησία αυτών των αναζητήσεων για νέα φυσική. Το ακριβές κλάσμα κάθε τύπου νετρίνων εξαρτάται από το μοντέλο πηγής και τα πιο δημοφιλή μοντέλα, τυχαία, προβλέπουν ότι ίσοι αριθμοί από τα τρία είδη νετρίνων θα φτάσουν στη Γη. Αλλά τα κοσμικά νετρίνα εξακολουθούν να είναι τόσο ελάχιστα κατανοητά που οποιαδήποτε παρατηρούμενη ανισορροπία στα κλάσματα των τριών τύπων θα μπορούσε να παρερμηνευτεί. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να είναι συνέπεια της κβαντικής βαρύτητας, της σκοτεινής ύλης ή ενός σπασμένου μοντέλου ταλάντωσης νετρίνων — ή απλώς η ακόμα θολή φυσική της κοσμικής παραγωγής νετρίνων. (Ωστόσο, ορισμένες αναλογίες θα ήταν μια υπογραφή «όπλο καπνίσματος» της νέας φυσικής, είπε ο Argüelles-Ντελγκάδο.)

Τελικά, πρέπει να ανιχνεύσουμε πολλά περισσότερα κοσμικά νετρίνα, είπε ο Katori. Και φαίνεται ότι θα το κάνουμε. Το IceCube αναβαθμίζεται και επεκτείνεται στα 10 κυβικά χιλιόμετρα τα επόμενα χρόνια και τον Οκτώβριο, ένας ανιχνευτής νετρίνων κάτω από τη λίμνη Βαϊκάλη στη Σιβηρία δημοσίευσε την πρώτη του παρατήρηση των κοσμικών νετρίνων από το TXS.

Και βαθιά στη Μεσόγειο, δεκάδες σειρές ανιχνευτών νετρίνων καλούνται συλλογικά KM3NeT στερεώνονται στον πυθμένα της θάλασσας από ένα ρομπότ υποβρύχιο για να προσφέρουν μια συμπληρωματική θέα στον ουρανό των κοσμικών νετρίνων. «Οι πιέσεις είναι τεράστιες. η θάλασσα είναι πολύ αδυσώπητη», δήλωσε ο Paschal Coyle, διευθυντής έρευνας στο Κέντρο Φυσικής Σωματιδίων της Μασσαλίας και εκπρόσωπος του πειράματος. Αλλά «χρειαζόμαστε περισσότερα τηλεσκόπια που ελέγχουν τον ουρανό και περισσότερες κοινές παρατηρήσεις, που έρχονται τώρα».