Az Univerzum új térképe, kozmikus neutrínókkal festve | Quanta Magazin

A másodpercenként áthaladó 100 billió neutrínó közül a legtöbb a Napból vagy a Föld légköréből származik. De a részecskék egy része – azok, amelyek sokkal gyorsabban mozognak, mint a többi – távolabbi, erőteljes forrásokból érkeztek ide. Az asztrofizikusok évtizedek óta keresték e „kozmikus” neutrínók eredetét. Az IceCube Neutrino Obszervatórium végre összegyűjtött belőlük eleget ahhoz, hogy árulkodó mintákat tárjon fel, honnan származnak.

egy ma megjelent lap Tudomány, a csapat felfedte a Tejútrendszer első térképét neutrínókban. (Általában fotonokkal, fényrészecskékkel térképezzük fel galaxisunkat.) Az új térképen a Tejútrendszer egészéből kiáramló kozmikus neutrínók diffúz ködje látható, de furcsa módon egyetlen forrás sem tűnik ki. – Ez egy rejtély – mondta Francis Halzen, aki az IceCube-ot vezeti.

Az eredmények követik an IceCube tanulmány tavaly őszről, szintén Tudomány, ez volt az első, amely a kozmikus neutrínókat egyedi forráshoz kapcsolta. Kimutatta, hogy az obszervatórium által eddig észlelt kozmikus neutrínók nagy része az NGC 1068 nevű „aktív” galaxis szívéből származik. A galaxis izzó magjában az anyag egy központi szupermasszív fekete lyukba spirál, így valamilyen módon kozmikus neutrínók keletkeznek. a folyamat.

„Ez igazán örömteli” – mondta Kate Scholberg, a Duke Egyetem neutrínófizikusa, aki nem vett részt a kutatásban. „Valójában azonosítottak egy galaxist. Ez az a fajta dolog, amivel az egész neutrínócsillagász közösség örökké törekszik.”

A kozmikus neutrínóforrások azonosítása megnyitja a lehetőséget, hogy a részecskéket az alapvető fizika új szondájaként használják fel. A kutatók kimutatták, hogy a neutrínók segítségével repedéseket nyithatnak meg a részecskefizika uralkodó szabványos modelljében, és még a gravitáció kvantumleírásait is tesztelhetik.

De legalább néhány kozmikus neutrínó eredetének azonosítása csak az első lépés. Keveset tudunk arról, hogy egyes szupermasszív fekete lyukak körüli tevékenység hogyan hozza létre ezeket a részecskéket, és eddig a bizonyítékok több folyamatra vagy körülményre utalnak.

Régóta keresett eredet

Bármennyire is bőségesek, a neutrínók rendszerint nyom nélkül csapnak át a Földön; egy csodálatosan hatalmas detektort kellett építeni, hogy elegendő mennyiséget érzékeljen belőlük ahhoz, hogy érzékelje a mintákat abban az irányban, ahonnan érkeznek. A 12 éve épült IceCube kilométer hosszú, az antarktiszi jegébe fúrt detektorsorokból áll. Az IceCube minden évben egy tucatnyi olyan nagy energiájú kozmikus neutrínót észlel, hogy egyértelműen kitűnnek a légköri és szoláris neutrínók homályából. A kifinomultabb elemzések további kozmikus neutrínó-jelölteket vonhatnak ki a többi adatból.

Az asztrofizikusok tudják, hogy ilyen energetikai neutrínók csak akkor keletkezhetnek, ha gyorsan mozgó atommagok, úgynevezett kozmikus sugarak, valahol az űrben anyaggal ütköznek. És az univerzumban nagyon kevés helyen van elég erős mágneses mező ahhoz, hogy a kozmikus sugarakat kellő energiára felkorbácsolja. A gamma-kitöréseket, az ultrafényes fényvillanásokat, amelyek akkor fordulnak elő, amikor egyes csillagok szupernóvává válnak, vagy amikor a neutroncsillagok egymásba spiráloznak, sokáig az egyik legvalószínűbb lehetőségnek tartották. Az egyetlen valódi alternatívát az aktív galaktikus atommagok vagy az AGN-ek jelentik – olyan galaxisok, amelyek központi szupermasszív fekete lyukaik részecskéket és sugárzást lövellnek ki, amikor az anyag beesik.

A gamma-sugár-kitörés elmélete 2012-ben veszített teret, amikor az asztrofizikusok rájöttek, hogy ha ezek a fényes kitörések a felelősek, akkor azt várnánk, hogy még sok kozmikus neutrínó mint mi. Ennek ellenére a vita még korántsem dőlt el.

Aztán 2016-ban az IceCube riasztásokat kezdett küldeni minden alkalommal, amikor kozmikus neutrínót észlelt, és arra késztette a többi csillagászt, hogy távcsövet tanítsanak abba az irányba, ahonnan az jött. A következő szeptemberben próbaképpen egy kozmikus neutrínót párosított a TXS nevű aktív galaxissal 0506+056 vagy röviden TXS, amely egyszerre bocsátott ki röntgen- és gamma-sugárzást. „Ez minden bizonnyal nagy érdeklődést váltott ki” – mondta Marcos Santander, az IceCube munkatársa az Alabamai Egyetemen.

Egyre több kozmikus neutrínót gyűjtöttek össze, és az égbolt egy újabb foltja kezdett kiemelkedni a légköri neutrínók hátterében. Ennek a foltnak a közepén található a közeli, aktív galaxis, az NGC 1068. Az IceCube legutóbbi elemzése azt mutatja, hogy ez a korreláció szinte biztosan egyenlő az oksággal. Az elemzés részeként az IceCube tudósai újrakalibrálták teleszkópjukat, és mesterséges intelligencia segítségével jobban megértették annak érzékenységét az égbolt különböző foltjaira. Azt találták, hogy kevesebb, mint 1 a 100,000 1068-hez az esélye annak, hogy az NGC XNUMX irányából érkező neutrínók mennyisége véletlenszerű ingadozás.

A statisztikai bizonyosság, hogy a TXS egy kozmikus neutrínóforrás, nem marad el, és szeptemberben az IceCube rögzített egy neutrínót, valószínűleg a TXS környékéről, amelyet még nem elemeztek.

„Részben vakok voltunk; olyan, mintha a hangsúlyt fordítottuk volna” – mondta Halzen. „A verseny a gamma-kitörések és az aktív galaxisok között zajlott. Ez a verseny eldőlt.”

A fizikai mechanizmus

Úgy tűnik, hogy ez a két AGN a legfényesebb neutrínóforrás az égbolton, mégis meglepő módon nagyon különböznek egymástól. A TXS egyfajta AGN, amelyet blazárként ismernek: nagy energiájú sugárzást bocsát ki közvetlenül a Föld felé. Mégsem látunk ilyen sugárhajtást az NGC 1068-ról. Ez arra utal, hogy az aktív galaxisok szívében különböző mechanizmusok kozmikus neutrínókat eredményezhetnek. „Úgy tűnik, a források változatosabbak” – mondta Julia Tjus, a németországi Bochumi Ruhr Egyetem elméleti asztrofizikusa és az IceCube tagja.

Halzen gyanítja, hogy az NGC 1068 aktív magját körülveszi valamilyen anyag, amely blokkolja a gamma-sugárzás kibocsátását, amikor neutrínók keletkeznek. De a pontos mechanizmust bárki találgathatja. "Nagyon keveset tudunk az aktív galaxisok magjairól, mert túl bonyolultak" - mondta.

A Tejútrendszerből származó kozmikus neutrínók tovább zavarják a dolgokat. Galaxisunkban nincsenek ilyen nagy energiájú részecskék nyilvánvaló forrásai – különösen nincs aktív galaktikus atommag. Galaxisunk magja évmilliók óta nem nyüzsög.

Halzen feltételezi, hogy ezek a neutrínók galaxisunk egy korábbi, aktív fázisában keletkezett kozmikus sugarakból származnak. „Mindig elfelejtjük, hogy az idő egy pillanatát nézzük” – mondta. "A gyorsítók, amelyek létrehozták ezeket a kozmikus sugarakat, több millió évvel ezelőtt is létrehozhatták őket."

Az égbolt új képén kiemelkedik az olyan források intenzív fényereje, mint az NGC 1068 és a TXS. A közeli csillagokkal és forró gázokkal teli Tejútrendszer felülmúlja az összes többi galaxist, amikor a csillagászok fotonokkal nézik. De ha neutrínóban nézzük, „az a csodálatos, hogy alig látjuk a galaxisunkat” – mondta Halzen. "Az eget az extragalaktikus források uralják."

Félretéve a Tejútrendszer rejtélyét, az asztrofizikusok a távolabbi, fényesebb forrásokat szeretnék felhasználni a sötét anyag, a kvantumgravitáció és a neutrínók viselkedésének új elméleteinek tanulmányozására.

Az alapvető fizika vizsgálata

A neutrínók ritka támpontokat kínálnak arra vonatkozóan, hogy egy teljesebb részecskeelméletnek fel kell lépnie az 50 éves szabványmodellként ismert egyenletrendszerrel. Ez a modell csaknem tökéletes pontossággal írja le az elemi részecskéket és az erőket, de téved, amikor a neutrínókról van szó: azt jósolja, hogy a semleges részecskék tömegtelenek, de nem – nem egészen.

A fizikusok 1998-ban fedezték fel, hogy a neutrínók alakváltoztatásra képesek három különböző típusuk között; a nap által kibocsátott elektronneutrínó például müonneutrínóvá változhat, mire eléri a Földet. Az alakváltozáshoz pedig a neutrínóknak tömeggel kell rendelkezniük – a rezgéseknek csak akkor van értelme, ha minden neutrínófaj három különböző (mind nagyon apró) tömeg kvantumkeveréke.

Kísérletek tucatjai tette lehetővé a részecskefizikusok számára, hogy fokozatosan képet alkossanak a különféle neutrínók – szoláris, légköri, laboratóriumi eredetű – oszcillációs mintázatairól. Az AGN-ből származó kozmikus neutrínók azonban betekintést nyújtanak a részecskék oszcillációs viselkedésébe sokkal nagyobb távolságok és energiák esetén. Ez teszi őket „nagyon érzékeny szondává a fizikára, amely túlmutat a standard modellen” – mondta Carlos Argüelles-Delgado, a Harvard Egyetem neutrínófizikusa, aki szintén részese a kiterjedt IceCube együttműködésnek.

A kozmikus neutrínóforrások olyan távol vannak, hogy a neutrínó oszcillációi elmosódnak – bármerre is néznek az asztrofizikusok, arra számítanak, hogy mindhárom neutrínótípusnak egy-egy állandó részét fogják látni. Ezen frakciók bármilyen ingadozása azt jelzi, hogy a neutrínó oszcillációs modelljeit újra kell gondolni.

Egy másik lehetőség az, hogy a kozmikus neutrínók kölcsönhatásba lépnek a sötét anyaggal utazásuk során, ahogy azt sokan megjósolták sötét szektorú modellek. Ezek a modellek azt sugallják, hogy az univerzum láthatatlan anyaga többféle nem világító részecskéből áll. Ezekkel a sötét anyag részecskékkel való kölcsönhatások specifikus energiájú neutrínókat szórnának és rést hozzon létre a kozmikus neutrínók spektrumában, amit látunk.

Vagy maga a téridő kvantumszerkezete magával ránthatja a neutrínókat, lelassítva őket. A közelmúltban egy olaszországi székhelyű csoport vitatták be Természet csillagászat hogy az IceCube-adatok utalásokat mutatnak erre, de más fizikusok szkeptikusak voltak ezen állítások közül.

Az ilyen hatások kicsik lennének, de az intergalaktikus távolságok kimutatható szintre növelhetik őket. „Ez egy olyan dolog, amit mindenképpen érdemes felfedezni” – mondta Scholberg.

Máris, Argüelles-Delgado és munkatársai a kozmikus neutrínók diffúz hátterét használták – nem pedig olyan konkrét forrásokat, mint az NGC 1068 –, hogy bizonyítékokat keressenek a téridő kvantumszerkezetére vonatkozóan. Ahogy ők számolt be Természetfizika októberben nem találtak semmit, de a keresést nehezítette, hogy az IceCube detektorában nehéz volt megkülönböztetni a neutrínók harmadik fajtáját – a tau-t – az elektronneutrínótól. „Jobb részecskeazonosításra van szükség” – mondta a társszerző Teppei Katori a King’s College Londonban. Kutatás folyik arra vonatkozóan szétválasztani a két típust.

Katori szerint a kozmikus neutrínóforrások konkrét helyeinek és mechanizmusainak ismerete „nagy ugrást” jelentene az új fizika iránti kutatások érzékenységében. Az egyes neutrínótípusok pontos hányada a forrásmodelltől függ, és a legnépszerűbb modellek véletlenül azt jósolják, hogy a három neutrínófajból egyenlő számban érkezik majd a Földre. De a kozmikus neutrínókat még mindig olyan rosszul ismerik, hogy a három típus töredékeiben megfigyelt bármilyen egyensúlyhiány félreértelmezhető. Az eredmény lehet a kvantumgravitáció, a sötét anyag vagy a neutrínó oszcillációs modelljének meghibásodása – vagy csak a kozmikus neutrínótermelés még mindig homályos fizikája. (Egyes arányok azonban az új fizika „füstölgő pisztolyának” jelei, mondta Argüelles-Delgado.)

Végső soron sokkal több kozmikus neutrínót kell észlelnünk – mondta Katori. És úgy tűnik, meg is fogjuk. Az IceCube-ot a következő években fejlesztik és 10 köbkilométerre bővítik, októberben pedig egy neutrínódetektort a szibériai Bajkál-tó alatt tette közzé első észrevételét kozmikus neutrínók a TXS-től.

A Földközi-tenger mélyén pedig neutrínódetektorok tucatjait hívják közösen KM3NeT A tengerfenékre egy merülőmotoros robot rögzíti, hogy kiegészítő képet nyújtsanak a kozmikus-neutrínó égboltról. „Óriási a nyomás; a tenger nagyon könyörtelen” – mondta Paschal Coyle, a Marseille Részecskefizikai Központ kutatási igazgatója és a kísérlet szóvivője. De „több teleszkópra van szükségünk, amelyek az eget vizsgálják, és több közös megfigyelésre van szükségünk, ami most következik”.