Uusi maailmankaikkeuden kartta, maalattu kosmisilla neutriinoilla | Quanta-lehti

Niistä 100 biljoonasta neutriinosta, jotka kulkevat läpi joka sekunti, suurin osa tulee auringosta tai maan ilmakehästä. Mutta pieni osa hiukkasista - ne, jotka liikkuvat paljon nopeammin kuin muut - matkustivat tänne tehokkaista lähteistä kauempana. Vuosikymmenten ajan astrofyysikot ovat etsineet näiden "kosmisten" neutriinojen alkuperää. Nyt IceCube Neutrino Observatorio on vihdoin kerännyt niitä tarpeeksi paljastaakseen merkkikuvioita niiden alkuperästä.

Jonkin sisällä tänään julkaistu paperi tiede, tiimi paljasti ensimmäisen Linnunradan kartan neutriinoissa. (Yleensä galaksimme on kartoitettu fotoneilla, valon hiukkasilla.) Uusi kartta näyttää hajanaisen kosmisten neutriinojen sumua, joka lähtee Linnunradalta, mutta outoa kyllä, yksittäinen lähde ei erotu. "Se on mysteeri", sanoi Francis Halzen, joka johtaa IceCubea.

Tulokset seuraavat an IceCube-tutkimus viime syksyltä, myös sisään tiede, joka oli ensimmäinen, joka yhdisti kosmiset neutriinot yksittäiseen lähteeseen. Se osoitti, että suuri osa observatorion tähän mennessä havaitsemista kosmisista neutriinoista on peräisin "aktiivisen" galaksin NGC 1068 sydämestä. Galaksin hehkuvassa ytimessä aine kiertyy keskeiseen supermassiiviseen mustaan ​​aukkoon, jolloin syntyy jotenkin kosmisia neutriinoja. työn alla.

"Se on todella ilahduttavaa", sanoi Kate Scholberg, Duken yliopiston neutrinofyysikko, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "He ovat itse asiassa tunnistaneet galaksin. Tämä on sellainen asia, jota koko neutriinotähtitieteen yhteisö on yrittänyt tehdä ikuisesti."

Kosmisten neutrinolähteiden paikantaminen avaa mahdollisuuden käyttää hiukkasia uutena perusfysiikan koettimena. Tutkijat ovat osoittaneet, että neutriinoja voidaan käyttää halkeamien avaamiseen hallitsevassa hiukkasfysiikan vakiomallissa ja jopa painovoiman kvanttikuvausten testaamiseen.

Silti ainakin joidenkin kosmisten neutriinojen alkuperän tunnistaminen on vasta ensimmäinen askel. Tiedetään vähän siitä, kuinka joidenkin supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä oleva toiminta synnyttää näitä hiukkasia, ja toistaiseksi todisteet viittaavat useisiin prosesseihin tai olosuhteisiin.

Kauan etsitty alkuperä

Niin runsaina kuin ne ovatkin, neutriinot yleensä lentävät maapallon läpi jättämättä jälkiä; piti rakentaa upean suuri ilmaisin havaitsemaan niitä tarpeeksi havaitakseen kuvioita niihin suuntiin, joista he saapuvat. 12 vuotta sitten rakennettu IceCube koostuu kilometrien pituisista ilmaisimien sarjoista, jotka on porattu syvälle Etelämantereen jäähän. Joka vuosi IceCube havaitsee kymmenkunta kosmista neutriinoa, joiden energia on niin korkea, että ne erottuvat selvästi ilmakehän ja auringon neutriinojen sumusta. Kehittyneemmät analyysit voivat erottaa muita kosmisia neutriinoja muista tiedoista.

Astrofyysikot tietävät, että tällaisia ​​energeettisiä neutriinoja voi syntyä vain, kun nopeasti liikkuvat atomiytimet, joita kutsutaan kosmisiksi säteiksi, törmäävät materiaaliin jossain avaruudessa. Ja hyvin harvoissa paikoissa universumissa on riittävän vahvat magneettikentät nostaakseen kosmiset säteet riittävään energiaan. Gammasäteilypurkauksia, ultrakirkkaita valon välähdyksiä, joita esiintyy, kun jotkut tähdet muuttuvat supernovaksi tai kun neutronitähdet kiertyvät toisiinsa, pidettiin pitkään yhtenä todennäköisimmistä vaihtoehdoista. Ainoa todellinen vaihtoehto olivat aktiiviset galaktiset ytimet eli AGN:t – galaksit, joiden keskeiset supermassiiviset mustat aukot sylkevät ulos hiukkasia ja säteilyä, kun ainetta putoaa sisään.

Gamma-pursketeoria menetti jalansijaa vuonna 2012, kun astrofyysikot ymmärsivät, että jos nämä kirkkaat purkaukset olisivat vastuullisia, odotamme näkevämme paljon enemmän kosmisia neutriinoja kuin me. Kiista ei kuitenkaan ollut läheskään ratkaistu.

Sitten vuonna 2016 IceCube alkoi lähettää hälytyksiä aina, kun se havaitsi kosmisen neutrinon, mikä sai muut tähtitieteilijät kouluttamaan teleskooppeja siihen suuntaan, josta se tuli. Seuraavana syyskuussa he alustavasti sovitti kosmisen neutrinon aktiiviseen galaksiin nimeltä TXS 0506+056 tai lyhennettynä TXS, joka säteili röntgen- ja gammasäteitä samanaikaisesti. "Se herätti varmasti paljon kiinnostusta", sanoi Marcos Santander, IceCube-yhteistyökumppani Alabaman yliopistossa.

Yhä enemmän kosmisia neutriinoja kerättiin, ja ilmakehän neutriinojen taustaa vasten alkoi erottua toinen taivas. Tämän paikan keskellä on lähellä oleva aktiivinen galaksi NGC 1068. IceCuben äskettäinen analyysi osoittaa, että tämä korrelaatio on lähes varmasti yhtä kuin syy-yhteys. Osana analyysiä IceCube-tutkijat kalibroivat teleskooppinsa uudelleen ja käyttivät tekoälyä ymmärtääkseen paremmin sen herkkyyden eri taivaan paikoilla. He havaitsivat, että on vähemmän kuin yksi 1 100,000:sta mahdollisuus, että NGC 1068:n suunnasta tulevien neutriinojen runsaus on satunnaista vaihtelua.

Tilastollinen varmuus siitä, että TXS on kosminen neutriinolähde, ei ole kaukana, ja syyskuussa IceCube tallensi neutriinon luultavasti TXS:n läheisyydestä, jota ei ole vielä analysoitu.

”Olimme osittain sokeita; Tuntuu kuin olisimme kiinnittäneet huomion”, Halzen sanoi. "Kilpailu käytiin gammapurkausten ja aktiivisten galaksien välillä. Se kilpailu on päätetty."

Fysikaalinen mekanismi

Nämä kaksi AGN:ää näyttävät olevan kirkkaimpia neutriinolähteitä taivaalla, mutta hämmentävästi ne ovat hyvin erilaisia. TXS on eräänlainen AGN, joka tunnetaan nimellä blazar: Se ampuu korkeaenergisen säteilysuihkun suoraan Maata kohti. Emme kuitenkaan näe sellaista suihkua osoittavan tietä NGC 1068:sta. Tämä viittaa siihen, että eri mekanismit aktiivisten galaksien sydämessä voisivat aiheuttaa kosmisia neutriinoja. "Lähteet näyttävät olevan monipuolisempia", sanoi Julia Tjus, teoreettinen astrofyysikko Ruhrin yliopistossa Bochumissa Saksassa ja IceCuben jäsen.

Halzen epäilee, että NGC 1068:n aktiivisen ytimen ympärillä on materiaalia, joka estää gammasäteilyn säteilyn neutriinojen muodostuessa. Mutta tarkka mekanismi on kenen tahansa arvattavissa. "Tiedämme hyvin vähän aktiivisten galaksien ytimistä, koska ne ovat liian monimutkaisia", hän sanoi.

Linnunradalta peräisin olevat kosmiset neutriinot sekoittavat asioita entisestään. Galaksissamme ei ole selkeitä lähteitä tällaisille korkeaenergisille hiukkasille – etenkään aktiivista galaktista ydintä. Galaksimme ytimessä ei ole ollut vilkasta miljooniin vuosiin.

Halzen arvelee, että nämä neutriinot ovat peräisin kosmisista säteistä, jotka on tuotettu galaksimme aikaisemmassa aktiivisessa vaiheessa. "Unohdamme aina, että katsomme yhtä hetkeä ajassa", hän sanoi. "Näiden kosmisten säteiden luoneet kiihdyttimet ovat saattaneet tehdä niistä miljoonia vuosia sitten."

Uudessa taivaan kuvassa erottuu NGC 1068:n ja TXS:n kaltaisten lähteiden voimakas kirkkaus. Linnunrata, joka on täynnä lähellä olevia tähtiä ja kuumaa kaasua, ylittää kaikki muut galaksit, kun tähtitieteilijät katsovat fotoneilla. Mutta kun sitä tarkastellaan neutriinoissa, "hämmästyttävää on, että tuskin näemme galaksiamme", Halzen sanoi. "Taivasta hallitsevat ekstragalaktiset lähteet."

Linnunradan mysteerin sivuuttaen astrofyysikot haluavat käyttää kauempana olevia, kirkkaampia lähteitä pimeän aineen, kvanttigravitaation ja uusien neutriinojen käyttäytymisen teorioiden tutkimiseen.

Perusfysiikan tutkiminen

Neutriinot tarjoavat harvinaisia ​​vihjeitä siitä, että täydellisemmän hiukkasteorian täytyy syrjäyttää 50 vuotta vanha standardimallina tunnettu yhtälösarja. Tämä malli kuvaa alkuainehiukkasia ja voimia lähes täydellisellä tarkkuudella, mutta se erehtyy neutriinojen suhteen: Se ennustaa, että neutraalit hiukkaset ovat massattomia, mutta ne eivät ole - ei aivan.

Fyysikot havaitsivat vuonna 1998, että neutriinot voivat muuttaa muotoaan kolmen eri tyypin välillä; Auringon lähettämä elektronineutrino voi muuttua myonin neutriinoksi saavuttaessaan esimerkiksi maan. Ja muodonmuutosta varten neutriinoilla on oltava massa - värähtelyillä on järkeä vain, jos jokainen neutriinolaji on kolmen erilaisen (kaikki hyvin pienen) massan kvanttisekoitus.

Kymmenien kokeiden ansiosta hiukkasfyysikot ovat pystyneet vähitellen rakentamaan kuvan erilaisten neutriinojen värähtelykuvioista – aurinkoenergiasta, ilmakehästä tai laboratoriovalmisteista. Mutta AGN:istä peräisin olevat kosmiset neutriinot tarjoavat katsauksen hiukkasten värähtelevään käyttäytymiseen huomattavasti suurempien etäisyyksien ja energioiden yli. Tämä tekee niistä "erittäin herkän anturin fysiikalle, joka on vakiomallin ulkopuolella", sanoi Carlos Argüelles-Delgado, Harvardin yliopiston neutriinofyysikko, joka on myös osa laajaa IceCube-yhteistyötä.

Kosmiset neutrinolähteet ovat niin kaukana, että neutriinovärähtelyjen pitäisi hämärtyä – minne tahansa astrofyysikot katsovatkin, he odottavat näkevänsä jatkuvan osan jokaisesta kolmesta neutrinotyypistä. Kaikki vaihtelut näissä fraktioissa osoittaisivat, että neutriinovärähtelymalleja on harkittava uudelleen.

Toinen mahdollisuus on, että kosmiset neutriinot ovat vuorovaikutuksessa pimeän aineen kanssa liikkuessaan, kuten monet ovat ennustaneet pimeän sektorin mallit. Nämä mallit ehdottavat, että maailmankaikkeuden näkymätön aine koostuu monen tyyppisistä ei-valaisevista hiukkasista. Vuorovaikutukset näiden pimeän aineen hiukkasten kanssa hajottaisivat neutriinoja, joilla on tietty energia ja luoda aukko näkemämme kosmisten neutriinojen spektrissä.

Tai itse aika-avaruuden kvanttirakenne voi vetää neutriinoja hidastaen niitä. Italiassa äskettäin toimiva ryhmä väitti Luontoympäristö että IceCube-tiedot osoittavat vihjeitä tästä tapahtuvasta, mutta muut fyysikot ovat olleet skeptisiä näistä väitteistä.

Tällaiset vaikutukset olisivat pieniä, mutta galaksien väliset etäisyydet voisivat suurentaa ne havaittaville tasoille. "Se on ehdottomasti tutkimisen arvoinen", sanoi Scholberg.

Jo, Argüelles-Delgado ja yhteistyökumppanit ovat käyttäneet kosmisten neutriinojen hajanaista taustaa - pikemminkin kuin tiettyjä lähteitä, kuten NGC 1068 - etsiäkseen todisteita aika-avaruuden kvanttirakenteesta. Kuten he raportoitu Luontofysiikka lokakuussa he eivät löytäneet mitään, mutta heidän etsintöään vaikeutti vaikeus erottaa kolmas neutrinon lajike – tau – elektronineutriinosta IceCube-detektorissa. Tarvitaan "parempaa hiukkasten tunnistamista", sanoi toinen kirjoittaja Teppei Katori Lontoon King's Collegesta. Tutkimus on käynnissä erottaa nämä kaksi tyyppiä.

Katorin mukaan kosmisten neutriinolähteiden tiettyjen sijaintien ja mekanismien tunteminen tarjoaisi "ison hypyn" näiden uuden fysiikan etsintöjen herkkyyteen. Kunkin neutrinotyypin tarkka osuus riippuu lähdemallista, ja suosituimmat mallit sattumalta ennustavat, että yhtä monta kolmea neutrinolajia saapuu Maahan. Mutta kosmiset neutriinot ymmärretään edelleen niin huonosti, että mikä tahansa havaittu epätasapaino näiden kolmen tyypin osissa voidaan tulkita väärin. Seurauksena voi olla kvanttigravitaatio, pimeä aine tai rikkinäinen neutriinovärähtelymalli – tai vain kosmisen neutrinon tuotannon edelleen epäselvä fysiikka. (Jotkin suhteet olisivat kuitenkin uuden fysiikan "savuava ase", sanoi Argüelles-Delgado.)

Viime kädessä meidän on havaittava paljon enemmän kosmisia neutriinoja, Katori sanoi. Ja näyttää siltä, ​​että teemme. IceCubea päivitetään ja laajennetaan 10 kuutiokilometriin seuraavien vuosien aikana, ja lokakuussa neutriinoilmaisin Baikal-järven alla Siperiassa julkaisi ensimmäisen havaintonsa TXS:n kosmisista neutriinoista.

Ja syvällä Välimeressä kymmeniä neutriinoilmaisimien sarjoja kutsutaan kollektiivisesti KM3NeT ne kiinnitetään merenpohjaan upotettavalla robotilla tarjoamaan täydentävän näkymän kosmisen neutriinotaivaalle. ”Paineet ovat valtavia; meri on erittäin anteeksiantamaton", sanoi Paschal Coyle, Marseillen hiukkasfysiikan keskuksen tutkimusjohtaja ja kokeen tiedottaja. Mutta "tarvitsemme lisää taivasta tarkastelevia teleskooppeja ja enemmän yhteisiä havaintoja, mikä on tulossa."