Peta Baru Alam Semesta, Dilukis Dengan Neutrino Kosmik | Majalah Quanta

Dari 100 triliun neutrino yang melewati Anda setiap detik, sebagian besar berasal dari matahari atau atmosfer bumi. Tapi segelintir partikel — yang bergerak jauh lebih cepat daripada yang lain — bergerak ke sini dari sumber yang kuat lebih jauh. Selama beberapa dekade, ahli astrofisika telah mencari asal muasal neutrino “kosmik” ini. Sekarang, Observatorium Neutrino IceCube akhirnya mengumpulkan cukup banyak dari mereka untuk mengungkapkan pola dari mana mereka berasal.

Di sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di Ilmu, tim mengungkap peta pertama Bima Sakti dalam neutrino. (Biasanya galaksi kita dipetakan dengan foton, partikel cahaya.) Peta baru menunjukkan kabut neutrino kosmik yang menyebar dari seluruh Bima Sakti, tetapi anehnya, tidak ada sumber individu yang menonjol. "Ini misteri," kata Fransiskus Halzen, yang memimpin IceCube.

Hasilnya mengikuti an Studi IceCube dari musim gugur lalu, juga di Ilmu, itulah yang pertama menghubungkan neutrino kosmik ke sumber individu. Ini menunjukkan bahwa bongkahan besar neutrino kosmik yang terdeteksi sejauh ini oleh observatorium berasal dari jantung galaksi "aktif" yang disebut NGC 1068. Di inti galaksi yang bercahaya, materi berputar ke pusat lubang hitam supermasif, entah bagaimana membuat neutrino kosmik. dalam proses.

"Ini benar-benar memuaskan," kata Kate Scholberg, seorang fisikawan neutrino di Duke University yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut. “Mereka sebenarnya telah mengidentifikasi sebuah galaksi. Ini adalah hal yang telah dicoba dilakukan oleh seluruh komunitas astronomi neutrino untuk selamanya.”

Menentukan dengan tepat sumber neutrino kosmik membuka kemungkinan menggunakan partikel sebagai penyelidikan baru fisika fundamental. Para peneliti telah menunjukkan bahwa neutrino dapat digunakan untuk membuka celah dalam Model Standar fisika partikel yang berkuasa dan bahkan menguji deskripsi gravitasi kuantum.

Namun mengidentifikasi asal usul setidaknya beberapa neutrino kosmik hanyalah langkah pertama. Sedikit yang diketahui tentang bagaimana aktivitas di sekitar beberapa lubang hitam supermasif menghasilkan partikel-partikel ini, dan sejauh ini bukti menunjukkan berbagai proses atau keadaan.

Asal Lama Dicari

Berlimpah seperti mereka, neutrino biasanya melewati Bumi tanpa meninggalkan jejak; sebuah detektor yang sangat besar harus dibangun untuk mendeteksi cukup banyak dari mereka untuk melihat pola dari arah mereka datang. IceCube, dibangun 12 tahun lalu, terdiri dari rangkaian detektor sepanjang satu kilometer yang dibor jauh ke dalam es Antartika. Setiap tahun, IceCube mendeteksi selusin atau lebih neutrino kosmik dengan energi yang sangat tinggi sehingga terlihat menonjol di tengah kabut atmosfer dan neutrino matahari. Analisis yang lebih canggih dapat menemukan calon neutrino kosmik tambahan dari data lainnya.

Ahli astrofisika mengetahui bahwa neutrino energik seperti itu hanya dapat muncul ketika inti atom yang bergerak cepat, yang dikenal sebagai sinar kosmik, bertabrakan dengan materi di suatu tempat di ruang angkasa. Dan sangat sedikit tempat di alam semesta yang memiliki medan magnet yang cukup kuat untuk mencambuk sinar kosmik hingga energi yang cukup. Semburan sinar gamma, kilatan cahaya ultrabright yang terjadi ketika beberapa bintang menjadi supernova atau ketika bintang neutron saling berpilin, telah lama dianggap sebagai salah satu opsi yang paling masuk akal. Satu-satunya alternatif nyata adalah inti galaksi aktif, atau AGN—galaksi yang pusat lubang hitam supermasifnya memuntahkan partikel dan radiasi saat materi masuk.

Teori semburan sinar gamma kehilangan pijakan pada tahun 2012, ketika ahli astrofisika menyadari bahwa jika semburan terang ini bertanggung jawab, kita akan berharap untuk melihat lebih banyak lagi neutrino kosmik daripada yang kita lakukan. Namun, perselisihan itu masih jauh dari penyelesaian.

Kemudian, pada tahun 2016, IceCube mulai mengirimkan peringatan setiap kali mereka mendeteksi neutrino kosmik, mendorong astronom lain untuk melatih teleskop ke arah asalnya. September berikutnya, mereka ragu-ragu mencocokkan neutrino kosmik dengan galaksi aktif yang disebut TXS 0506+056, atau singkatnya TXS, yang memancarkan suar sinar-X dan sinar gamma pada saat yang bersamaan. “Itu tentu memicu banyak minat,” kata Marcos Santander, kolaborator IceCube di University of Alabama.

Semakin banyak neutrino kosmik dikumpulkan, dan bidang langit lainnya mulai menonjol dengan latar belakang neutrino atmosfer. Di tengah tambalan ini adalah galaksi aktif terdekat NGC 1068. Analisis terbaru IceCube menunjukkan bahwa korelasi ini hampir pasti sama dengan sebab-akibat. Sebagai bagian dari analisis, para ilmuwan IceCube mengkalibrasi ulang teleskop mereka dan menggunakan kecerdasan buatan untuk lebih memahami kepekaannya terhadap bidang langit yang berbeda. Mereka menemukan bahwa terdapat kurang dari 1 banding 100,000 peluang bahwa kelimpahan neutrino yang datang dari arah NGC 1068 merupakan fluktuasi acak.

Kepastian statistik bahwa TXS adalah sumber neutrino kosmik tidak jauh di belakang, dan pada bulan September, IceCube mencatat kemungkinan neutrino dari sekitar TXS yang belum dianalisis.

“Kami sebagian buta; sepertinya kami telah mengalihkan fokus, ”kata Halzen. “Perlombaan itu antara semburan sinar gamma dan galaksi aktif. Perlombaan itu telah diputuskan.”

Mekanisme Fisik

Kedua AGN ini tampaknya merupakan sumber neutrino paling terang di langit, namun, yang membingungkan, keduanya sangat berbeda. TXS adalah jenis AGN yang dikenal sebagai blazar: Ini menembakkan pancaran radiasi berenergi tinggi langsung ke Bumi. Namun kita tidak melihat semburan seperti itu mengarah ke arah kita dari NGC 1068. Ini menunjukkan bahwa mekanisme berbeda di jantung galaksi aktif dapat memunculkan neutrino kosmik. “Sumbernya sepertinya lebih beragam,” kata Julia Tjus, seorang ahli astrofisika teoretis di Ruhr University Bochum di Jerman dan anggota IceCube.

Halzen menduga ada beberapa materi yang mengelilingi inti aktif di NGC 1068 yang menghalangi emisi sinar gamma saat neutrino diproduksi. Tetapi mekanisme yang tepat adalah dugaan siapa pun. “Kami hanya tahu sedikit tentang inti galaksi aktif karena terlalu rumit,” katanya.

Neutrino kosmik yang berasal dari Bima Sakti mengacaukan segalanya lebih jauh. Tidak ada sumber yang jelas dari partikel berenergi tinggi di galaksi kita — khususnya, tidak ada inti galaksi yang aktif. Inti galaksi kita tidak pernah ramai selama jutaan tahun.

Halzen berspekulasi bahwa neutrino ini berasal dari sinar kosmik yang dihasilkan dalam fase aktif galaksi kita sebelumnya. “Kita selalu lupa bahwa kita sedang melihat satu momen dalam satu waktu,” katanya. "Akselerator yang membuat sinar kosmik ini mungkin membuatnya jutaan tahun yang lalu."

Apa yang menonjol dalam citra baru langit ini adalah kecerahan yang intens dari sumber-sumber seperti NGC 1068 dan TXS. Bima Sakti, yang dipenuhi bintang terdekat dan gas panas, mengungguli semua galaksi lain saat para astronom melihat dengan foton. Tapi jika dilihat dari neutrino, “Hal yang menakjubkan adalah kita hampir tidak bisa melihat galaksi kita,” kata Halzen. "Langit didominasi oleh sumber ekstragalaksi."

Mengesampingkan misteri Bima Sakti, ahli astrofisika ingin menggunakan sumber yang lebih jauh dan lebih terang untuk mempelajari materi gelap, gravitasi kuantum, dan teori baru perilaku neutrino.

Menyelidiki Fisika Dasar

Neutrino menawarkan petunjuk langka bahwa teori partikel yang lebih lengkap harus menggantikan persamaan berusia 50 tahun yang dikenal sebagai Model Standar. Model ini menggambarkan partikel dan gaya elementer dengan presisi yang hampir sempurna, tetapi keliru ketika menyangkut neutrino: Model ini memprediksi bahwa partikel netral tidak bermassa, tetapi sebenarnya tidak - tidak tepat.

Fisikawan menemukan pada tahun 1998 bahwa neutrino dapat berubah bentuk di antara ketiga jenisnya yang berbeda; neutrino elektron yang dipancarkan oleh matahari dapat berubah menjadi neutrino muon pada saat mencapai Bumi, misalnya. Dan untuk mengubah bentuk, neutrino harus memiliki massa — osilasi hanya masuk akal jika setiap spesies neutrino adalah campuran kuantum dari tiga massa yang berbeda (semuanya sangat kecil).

Lusinan percobaan telah memungkinkan fisikawan partikel untuk secara bertahap membangun gambaran pola osilasi berbagai neutrino - matahari, atmosfer, buatan laboratorium. Tetapi neutrino kosmik yang berasal dari AGN menawarkan pandangan tentang perilaku osilasi partikel melintasi jarak dan energi yang jauh lebih besar. Hal ini membuat mereka "penyelidikan yang sangat sensitif terhadap fisika yang berada di luar Model Standar," kata Carlos Arguelles-Delgado, seorang fisikawan neutrino di Universitas Harvard yang juga merupakan bagian dari kolaborasi luas IceCube.

Sumber neutrino kosmik sangat jauh sehingga osilasi neutrino menjadi kabur — ke mana pun astrofisikawan melihat, mereka berharap melihat fraksi konstan dari masing-masing dari ketiga jenis neutrino. Fluktuasi apa pun dalam fraksi ini akan menunjukkan bahwa model osilasi neutrino perlu dipikirkan ulang.

Kemungkinan lain adalah bahwa neutrino kosmik berinteraksi dengan materi gelap saat bergerak, seperti yang diperkirakan banyak orang model sektor gelap. Model-model ini mengusulkan bahwa materi tak kasat mata di alam semesta terdiri dari berbagai jenis partikel tak bercahaya. Interaksi dengan partikel materi gelap ini akan menyebarkan neutrino dengan energi tertentu dan membuat celah dalam spektrum neutrino kosmik yang kita lihat.

Atau struktur kuantum ruang-waktu itu sendiri dapat menyeret neutrino, memperlambatnya. Grup yang berbasis di Italia baru-baru ini berdebat di Astronomi Alam bahwa data IceCube menunjukkan petunjuk tentang hal ini terjadi, tapi fisikawan lain telah skeptis dari klaim-klaim ini.

Efek seperti ini akan sangat kecil, tetapi jarak intergalaksi dapat memperbesarnya ke tingkat yang dapat dideteksi. “Itu pasti sesuatu yang patut ditelusuri,” kata Scholberg.

Sudah, Argüelles-Delgado dan kolaborator telah menggunakan latar belakang neutrino kosmik yang tersebar — daripada sumber spesifik seperti NGC 1068 — untuk mencari bukti struktur kuantum ruang-waktu. Seperti mereka dilaporkan dalam Fisika Alam pada bulan Oktober, mereka tidak menemukan apa pun, tetapi pencarian mereka terhambat oleh sulitnya membedakan varietas ketiga neutrino — tau — dari elektron neutrino di detektor IceCube. Yang dibutuhkan adalah “identifikasi partikel yang lebih baik,” kata rekan penulis Teppei Katori dari King's College London. Penelitian sedang dilakukan untuk memisahkan kedua jenis tersebut.

Katori mengatakan mengetahui lokasi spesifik dan mekanisme sumber neutrino kosmik akan menawarkan "lompatan besar" dalam sensitivitas pencarian fisika baru ini. Fraksi yang tepat dari setiap jenis neutrino bergantung pada model sumbernya, dan model yang paling populer, secara kebetulan, memprediksi bahwa jumlah yang sama dari ketiga spesies neutrino akan tiba di Bumi. Tetapi neutrino kosmik masih sangat kurang dipahami sehingga ketidakseimbangan yang teramati dalam fraksi dari ketiga jenis ini dapat disalahtafsirkan. Hasilnya bisa jadi konsekuensi dari gravitasi kuantum, materi gelap, atau model osilasi neutrino yang rusak — atau hanya fisika produksi neutrino kosmik yang masih kabur. (Namun, beberapa rasio akan menjadi ciri khas fisika baru, kata Argüelles-Delgado.)

Pada akhirnya, kita perlu mendeteksi lebih banyak neutrino kosmik, kata Katori. Dan sepertinya kita akan melakukannya. IceCube sedang ditingkatkan dan diperluas menjadi 10 kilometer kubik selama beberapa tahun ke depan, dan pada bulan Oktober, detektor neutrino di bawah Danau Baikal di Siberia memposting pengamatan pertamanya neutrino kosmik dari TXS.

Dan jauh di Mediterania, lusinan rangkaian detektor neutrino secara kolektif disebut KM3NeT sedang diikat di dasar laut oleh robot kapal selam untuk menawarkan pandangan pelengkap langit kosmik-neutrino. “Tekanannya sangat besar; laut sangat tak kenal ampun,” kata Paschal Coyle, direktur penelitian di Pusat Fisika Partikel Marseille dan juru bicara percobaan. Tapi "kita membutuhkan lebih banyak teleskop untuk meneliti langit dan lebih banyak pengamatan bersama, yang akan datang sekarang."