Uus universumi kaart, maalitud kosmiliste neutriinodega | Quanta ajakiri

100 triljonist neutriinost, mis teid iga sekund läbivad, pärineb enamik päikesest või Maa atmosfäärist. Kuid väike osa osakestest – need, mis liiguvad palju kiiremini kui ülejäänud – rändas siia kaugematest võimsatest allikatest. Aastakümneid on astrofüüsikud otsinud nende "kosmiliste" neutriinode päritolu. Nüüd on IceCube'i neutriinoobservatoorium neid lõpuks kogunud piisavalt, et paljastada nende päritolust märku andvad mustrid.

Aastal paber, mis avaldati täna aastal teadus, paljastas meeskond Linnutee esimese kaardi neutriinodes. (Tavaliselt on meie galaktika kaardistatud footonite ehk valgusosakestega.) Uuel kaardil on näha kogu Linnuteest lähtuvat kosmiliste neutriinode hajusat udu, kuid kummalisel kombel ei paista ükski allikas silma. "See on mõistatus," ütles Francis Halzen, kes juhib IceCube'i.

Tulemused järgivad an IceCube'i uuring eelmisest sügisest, ka sisse teadus, mis ühendas esimesena kosmilised neutriinod üksiku allikaga. See näitas, et suur osa observatooriumi seni tuvastatud kosmilistest neutriinodest on pärit "aktiivse" galaktika NGC 1068 südamest. Galaktika hõõguvas tuumas liigub aine spiraalselt kesksesse ülimassiivsesse musta auku, moodustades mingil moel kosmilisi neutriinosid. protsessis.

"See on tõesti rõõmustav," ütles Kate Scholberg, Duke'i ülikooli neutriinofüüsik, kes ei osalenud uurimistöös. "Nad on tegelikult tuvastanud galaktika. See on selline asi, mida kogu neutriinoastronoomia kogukond on igavesti püüdnud teha.

Kosmiliste neutriinoallikate kindlaksmääramine avab võimaluse kasutada osakesi uue fundamentaalfüüsika sondina. Teadlased on näidanud, et neutriinosid saab kasutada pragude avamiseks valitsevas osakeste füüsika standardmudelis ja isegi gravitatsiooni kvantkirjelduste testimiseks.

Kuid vähemalt mõne kosmilise neutriino päritolu kindlakstegemine on alles esimene samm. On vähe teada, kuidas mõnede ülimassiivsete mustade aukude ümber toimuv tegevus neid osakesi tekitab, ja siiani viitavad tõendid mitmele protsessile või asjaolule.

Kaua otsitud päritolu

Nii arvukad kui ka neutriinod liiguvad tavaliselt Maast läbi ilma jälgi jätmata; tuli ehitada suurepärane detektor, et tuvastada neid piisavalt, et tajuda mustreid nendes suundades, kust nad saabuvad. 12 aastat tagasi ehitatud IceCube koosneb kilomeetripikkustest detektoritest, mis on puuritud sügavale Antarktika jäässe. Igal aastal tuvastab IceCube kümmekond nii suure energiaga kosmilist neutriinot, et need paistavad selgelt silma atmosfääri- ja päikeseneutriinode hägususe vastu. Keerulisemad analüüsid võivad ülejäänud andmetest välja tuua täiendavaid kosmilisi neutriinokandidaate.

Astrofüüsikud teavad, et sellised energeetilised neutriinod võivad tekkida ainult siis, kui kiiresti liikuvad aatomituumad, mida nimetatakse kosmilisteks kiirteks, põrkuvad kuskil kosmoses materjaliga. Ja väga vähestes kohtades universumis on piisavalt tugevad magnetväljad, et tõsta kosmilisi kiiri piisava energiani. Gammakiirguse pursked, ülierksad valgussähvatused, mis tekivad siis, kui mõned tähed lähevad supernoovaks või kui neutrontähed üksteisesse spiraalivad, peeti pikka aega üheks kõige usutavamaks võimaluseks. Ainus reaalne alternatiiv oli aktiivsed galaktilised tuumad ehk AGN-id – galaktikad, mille kesksed ülimassiivsed mustad augud paiskavad aine sattudes välja osakesi ja kiirgust.

Gammakiirguse pursketeooria kaotas oma koha 2012. aastal, kui astrofüüsikud mõistsid, et kui need eredad pursked oleksid vastutavad, siis ootame seda palju rohkem kosmilisi neutriinosid kui meie. Sellegipoolest polnud vaidlus kaugeltki lahenenud.

Seejärel, 2016. aastal, hakkas IceCube saatma hoiatusi iga kord, kui nad avastasid kosmilise neutriino, ajendades teisi astronoome treenima teleskoope selles suunas, kust see tuli. Järgmisel septembril nad esialgselt sobitas kosmilise neutriino aktiivse galaktikaga nimega TXS 0506+056 või lühidalt TXS, mis kiirgas samaaegselt röntgen- ja gammakiirgust. "See tekitas kindlasti palju huvi," ütles Marcos Santander, IceCube'i kaastöötaja Alabama ülikoolis.

Üha rohkem koguti kosmilisi neutriinosid ning atmosfäärineutriinode taustal hakkas paistma veel üks taevalaik. Selle laigu keskel on lähedal asuv aktiivne galaktika NGC 1068. IceCube'i hiljutine analüüs näitab, et see korrelatsioon on peaaegu kindlasti võrdne põhjusliku seosega. Analüüsi osana kalibreerisid IceCube'i teadlased oma teleskoobi ümber ja kasutasid tehisintellekti, et paremini mõista selle tundlikkust erinevate taevalaikude suhtes. Nad leidsid, et tõenäosus, et NGC 1 suunast tulevate neutriinode arvukus on juhuslik kõikumine, on väiksem kui üks 100,000 1068-st.

Statistiline kindlus, et TXS on kosmiline neutriinoallikas, ei jää palju maha ja septembris salvestas IceCube tõenäoliselt TXS-i lähedusest pärit neutriino, mida pole veel analüüsitud.

“Olime osaliselt pimedad; nagu oleksime fookuse pööranud,” ütles Halzen. "Võistlus toimus gammakiirguse pursete ja aktiivsete galaktikate vahel. See võistlus on otsustatud.»

Füüsikaline mehhanism

Need kaks AGN-i näivad olevat kõige heledamad neutriinoallikad taevas, kuid mõistatuslikult on nad väga erinevad. TXS on teatud tüüpi AGN, mida tuntakse blazarina: see tulistab suure energiaga kiirgusjoa otse Maa poole. Ometi ei näe me ühtegi sellist joa, mis osutaks meie teed NGC 1068-st. See viitab sellele, et aktiivsete galaktikate südames võivad erinevad mehhanismid põhjustada kosmilisi neutriinosid. "Allikad näivad olevat mitmekesisemad," ütles Julia Tjus, teoreetiline astrofüüsik Ruhri ülikoolis Bochumis Saksamaal ja IceCube'i liige.

Halzen kahtlustab, et NGC 1068 aktiivset südamikku ümbritseb mingi materjal, mis blokeerib gammakiirguse emissiooni neutriinode tekkimisel. Täpne mehhanism on aga igaühe enda arvata. "Me teame väga vähe aktiivsete galaktikate tuumadest, kuna need on liiga keerulised," ütles ta.

Linnuteest pärinevad kosmilised neutriinod segavad asju veelgi. Meie galaktikas pole selliste suure energiaga osakeste ilmseid allikaid - eriti aktiivset galaktikatuumi. Meie galaktika tuum ei ole saginud miljoneid aastaid.

Halzen oletab, et need neutriinod pärinevad kosmilistest kiirtest, mis tekkisid meie galaktika varasemas aktiivses faasis. "Me unustame alati, et vaatame ühte ajahetke," ütles ta. "Neid kosmilisi kiiri tekitanud kiirendid võisid need teha miljoneid aastaid tagasi."

Uuel taevapildil paistab silma selliste allikate nagu NGC 1068 ja TXS intensiivne heledus. Linnutee, mis on täidetud lähedal asuvate tähtede ja kuuma gaasiga, ületab kõik teised galaktikad, kui astronoomid vaatavad footonitega. Kuid kui seda vaadata neutriinodes, "hämmastav on see, et me näeme vaevu oma galaktikat," ütles Halzen. "Taevas domineerivad ekstragalaktilised allikad."

Jättes Linnutee saladuse kõrvale, soovivad astrofüüsikud kasutada kaugemaid ja heledamaid allikaid tumeaine, kvantgravitatsiooni ja neutriino käitumise uute teooriate uurimiseks.

Fundamentaalfüüsika uurimine

Neutriinod pakuvad haruldasi vihjeid selle kohta, et täielikum osakeste teooria peab asendama 50 aastat vana võrrandikomplekti, mida tuntakse standardmudelina. See mudel kirjeldab elementaarosakesi ja jõude peaaegu täiusliku täpsusega, kuid see eksib neutriinode puhul: see ennustab, et neutraalsed osakesed on massita, kuid nad pole seda - mitte päris.

Füüsikud avastasid 1998. aastal, et neutriinod võivad oma kolme erineva tüübi vahel kuju muuta; päikese kiirgav elektronneutriino võib näiteks Maale jõudes muutuda müüonneutriinoks. Ja selleks, et kuju muutuks, peab neutriinodel olema mass – võnkumistel on mõtet ainult siis, kui iga neutriinoliik on kolme erineva (kõik väga pisikese) massi kvantsegu.

Kümned katsed on võimaldanud osakeste füüsikutel järk-järgult luua pilti erinevate neutriinode – päikese-, atmosfääri- ja laboratoorsete neutriinode – võnkemustritest. Kuid AGN-idest pärinevad kosmilised neutriinod pakuvad pilku osakeste võnkuvale käitumisele palju suuremate vahemaade ja energiate korral. See muudab need "väga tundlikuks füüsikale, mis ületab standardmudelit," ütles Carlos Argüelles-Delgado, Harvardi ülikooli neutriinofüüsik, kes on samuti osa laialivalguvast IceCube'i koostööst.

Kosmilised neutriinoallikad on nii kaugel, et neutriinode võnkumine peaks hägunema – kuhu astrofüüsikud ka ei vaataks, loodavad nad näha iga kolme neutriinotüübi konstantset osa. Igasugune kõikumine nendes fraktsioonides viitab sellele, et neutriinode võnkemudelid vajavad ümbermõtestamist.

Teine võimalus on see, et kosmilised neutriinod suhtlevad tumeainega liikudes, nagu paljud ennustavad tumeda sektori mudelid. Need mudelid näitavad, et universumi nähtamatu aine koosneb mitut tüüpi mittevalgustavatest osakestest. Koostoimed nende tumeaine osakestega hajutaksid spetsiifilise energiaga neutriinosid ja lõhe tekitada kosmiliste neutriinode spektris, mida me näeme.

Või võib aegruumi kvantstruktuur ise neutriinosid kaasa tõmmata, aeglustades neid. Hiljuti Itaalias asuv grupp vaidles sisse Looduse astronoomia et IceCube'i andmed näitavad selle toimumise kohta vihjeid, kuid teised füüsikud on olnud skeptilised nendest väidetest.

Sellised efektid oleksid väikesed, kuid galaktikatevahelised vahemaad võivad neid suurendada tuvastatava tasemeni. "See on kindlasti midagi, mida tasub uurida," ütles Scholberg.

Juba, Argüelles-Delgado ja kaastöötajad on kasutanud kosmiliste neutriinode hajutatud tausta, mitte konkreetseid allikaid, nagu NGC 1068, et otsida tõendeid aegruumi kvantstruktuuri kohta. Nagu nemadki teatatud Loodusfüüsika oktoobris nad midagi ei leidnud, kuid nende otsinguid takistas raskus IceCube'i detektoris neutriino kolmanda sordi – tau – elektronneutriino eristamisel. Vaja on "osakeste paremat tuvastamist", ütles kaasautor Teppei Katori Londoni King's College'ist. Uuringud on käimas lahutage need kaks tüüpi.

Katori ütleb, et kosmiliste neutriinoallikate konkreetsete asukohtade ja mehhanismide teadmine annaks "suure hüppe" nende uue füüsika otsingute tundlikkuses. Iga neutriinotüübi täpne osa sõltub lähtemudelist ja kõige populaarsemad mudelid ennustavad juhuslikult, et Maale saabub võrdne arv kolme neutriinoliiki. Kuid kosmilisi neutriinosid mõistetakse endiselt nii halvasti, et nende kolme tüübi fraktsioonide mis tahes täheldatud tasakaalustamatust võib valesti tõlgendada. Tulemuseks võib olla kvantgravitatsioon, tumeaine või purunenud neutriinode võnkemudel – või lihtsalt kosmilise neutriino tootmise udune füüsika. (Mõned suhted oleksid aga uue füüsika "suitsetava püssi" tunnus, ütles Argüelles-Delgado.)

Lõppkokkuvõttes peame tuvastama palju rohkem kosmilisi neutriinosid, ütles Katori. Ja tundub, et me teeme seda. IceCube'i uuendatakse ja laiendatakse järgmise paari aasta jooksul 10 kuupkilomeetrini ning oktoobris Siberis Baikali järve all asuv neutriinodetektor. postitas oma esimese tähelepaneku TXS-i kosmilistest neutriinodest.

Ja sügaval Vahemeres kutsutakse ühiselt kümneid jadasid neutriinodetektoreid KM3NeT Merepõhja kinnitab sukelaparaat, et pakkuda täiendavat vaadet kosmilise neutriino taevale. „Pinged on tohutud; meri on väga andestamatu,” ütles Marseille'i osakeste füüsikakeskuse uurimisdirektor ja eksperimendi pressiesindaja Paschal Coyle. Kuid "me vajame rohkem taevast uurivaid teleskoope ja rohkem jagatud vaatlusi, mis on tulemas."