우주 중성미자로 그려진 새로운 우주 지도 | 콴타 매거진

매초 당신을 통과하는 100조 개의 중성미자 중 대부분은 태양이나 지구의 대기에서 나옵니다. 그러나 나머지보다 훨씬 빠르게 움직이는 입자의 일부는 멀리 떨어진 강력한 소스에서 여기로 이동했습니다. 수십 년 동안 천체 물리학자들은 이러한 "우주" 뉴트리노의 기원을 찾아왔습니다. 이제 IceCube Neutrino Observatory는 마침내 그것들이 어디에서 왔는지 숨길 수 없는 패턴을 드러내기에 충분한 양을 수집했습니다.

안에 오늘 발표된 논문 과학, 팀은 중성미자에서 은하수의 첫 번째 지도를 공개했습니다. (보통 우리 은하는 광자, 즉 빛의 입자로 지도가 그려져 있습니다.) 새로운 지도는 은하수 전역에서 나오는 우주 중성미자의 확산된 연무를 보여주지만 이상하게도 개별 소스는 눈에 띄지 않습니다. 미스테리"라고 말했다. 프랜시스 할젠, IceCube를 이끄는 사람.

결과는 지난 가을 IceCube 연구, 또한 과학, 그것은 우주 중성미자를 개별 소스에 처음으로 연결했습니다. 그것은 천문대가 지금까지 탐지한 우주 중성미자의 큰 ​​덩어리가 NGC 1068이라는 "활성" 은하의 심장에서 나온 것임을 보여주었습니다. 은하의 빛나는 핵에서 물질은 중앙의 초대질량 블랙홀로 나선을 그리며 어떻게든 우주 중성미자를 만듭니다. 진행중.

"정말 기쁘다"고 말했다. 케이트 숄버그, 연구에 참여하지 않은 듀크 대학의 중성미자 물리학자. “그들은 실제로 은하계를 식별했습니다. 이것은 전체 중성미자 천문학 커뮤니티가 영원히 하려고 노력해 온 종류의 일입니다.”

우주 중성미자 소스를 찾아내면 입자를 기본 물리학의 새로운 프로브로 사용할 수 있는 가능성이 열립니다. 연구자들은 중성미자가 입자 물리학의 지배적인 표준 모델에서 균열을 열고 중력의 양자 설명을 테스트하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

그러나 적어도 일부 우주 중성미자의 기원을 확인하는 것은 첫 번째 단계에 불과합니다. 일부 초대형 블랙홀 주변의 활동이 이러한 입자를 생성하는 방법에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며 지금까지 여러 프로세스 또는 환경을 가리키는 증거가 있습니다.

오랜 숙원 기원

풍부한 중성미자는 보통 흔적을 남기지 않고 지구를 통과합니다. 그것들이 도착하는 방향에서 패턴을 감지할 수 있을 만큼 충분히 탐지하려면 엄청나게 거대한 탐지기를 만들어야 했습니다. 12년 전에 제작된 IceCube는 남극 얼음 깊숙이 뚫린 킬로미터 길이의 탐지기 끈으로 구성되어 있습니다. 매년 IceCube는 높은 에너지를 가진 XNUMX개 정도의 우주 중성미자를 감지하여 대기 및 태양 중성미자의 연무에 대해 분명히 두드러집니다. 보다 정교한 분석을 통해 나머지 데이터에서 추가 후보 우주 중성미자를 찾아낼 수 있습니다.

천체 물리학자들은 그러한 에너지가 넘치는 중성미자는 우주 광선으로 알려진 빠르게 움직이는 원자핵이 우주 어딘가에서 물질과 충돌할 때만 발생할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 그리고 우주에서 우주 광선을 충분한 에너지로 채찍질할 만큼 강한 자기장이 있는 곳은 거의 없습니다. 감마선 폭발, 일부 별이 초신성이 될 때 또는 중성자 별이 서로 나선을 이룰 때 발생하는 매우 밝은 빛의 섬광은 오랫동안 가장 그럴듯한 옵션 중 하나로 여겨졌습니다. 유일한 실제 대안은 활동은하핵(AGN)—물질이 떨어질 때 중앙의 초대질량 블랙홀이 입자와 방사선을 분출하는 은하였습니다.

감마선 폭발 이론은 2012년 천체 물리학자들이 이러한 밝은 폭발이 원인이라면 우리가 더 많은 우주 중성미자 우리보다. 여전히 분쟁은 해결되지 않았습니다.

그런 다음 2016년에 IceCube는 우주 중성미자를 감지할 때마다 경고를 보내기 시작하여 다른 천문학자들이 망원경을 그 방향으로 훈련하도록 촉구했습니다. 이듬해 XNUMX월 잠정적으로 우주 중성미자와 TXS라는 활성 은하를 일치시켰습니다. 0506+056, 줄여서 TXS, 엑스레이와 감마선 플레어를 동시에 방출하고 있었습니다. "그것은 확실히 많은 관심을 불러일으켰습니다."라고 말했습니다. 마르코스 산탄데르, 앨라배마 대학의 IceCube 협력자.

점점 더 많은 우주 중성미자가 수집되었고 또 다른 하늘 조각이 대기 중성미자의 배경에 눈에 띄기 시작했습니다. 이 패치의 중간에는 근처에 있는 활성 은하 NGC 1068이 있습니다. IceCube의 최근 분석에 따르면 이 상관 관계는 인과 관계와 거의 동일합니다. 분석의 일환으로 IceCube 과학자들은 망원경을 재보정하고 인공 지능을 사용하여 다양한 하늘 부분에 대한 민감도를 더 잘 이해했습니다. 그들은 NGC 1의 방향에서 오는 풍부한 중성미자가 무작위 변동일 가능성이 100,000분의 1068 미만이라는 것을 발견했습니다.

TXS가 우주 중성미자 소스라는 통계적 확실성은 그리 멀지 않았으며, XNUMX월에 IceCube는 아직 분석되지 않은 TXS 부근에서 아마도 중성미자를 기록했습니다.

“우리는 부분적으로 눈이 멀었습니다. 초점을 맞춘 것 같습니다.”라고 Halzen이 말했습니다. “경쟁은 감마선 폭발과 활성 은하 사이에 있었습니다. 그 경주가 결정되었습니다.”

물리적 메커니즘

이 두 AGN은 하늘에서 가장 밝은 중성미자 소스로 보이지만, 어리둥절하게도 매우 다릅니다. TXS는 블레이저로 알려진 일종의 AGN입니다. 고에너지 방사선 제트를 지구를 향해 직접 발사합니다. 그러나 우리는 NGC 1068에서 우리 방향을 가리키는 그러한 제트를 보지 못합니다. 이것은 활동 은하의 중심부에 있는 다른 메커니즘이 우주 중성미자를 일으킬 수 있음을 시사합니다. “출처가 더 다양한 것 같다”고 말했다. 줄리아 추스, 독일 보훔 루르 대학의 이론 천체물리학자이자 IceCube의 회원입니다.

Halzen은 중성미자가 생성될 때 감마선 방출을 차단하는 NGC 1068의 활성 코어를 둘러싼 일부 물질이 있다고 의심합니다. 그러나 정확한 메커니즘은 누구나 추측할 수 있습니다. "활성은하가 너무 복잡하기 때문에 우리는 활동은하의 핵에 대해 거의 알지 못합니다."라고 그는 말했습니다.

은하수에서 발생하는 우주 중성미자는 상황을 더욱 혼란스럽게 만듭니다. 우리 은하에는 그러한 고에너지 입자의 명백한 근원이 없습니다. 특히 활성 은하핵은 없습니다. 우리 은하의 핵은 수백만 년 동안 분주하지 않았습니다.

Halzen은 이러한 중성미자가 우리 은하의 초기 활동 단계에서 생성된 우주선에서 나온 것이라고 추측합니다. "우리는 항상 우리가 한 순간을 보고 있다는 사실을 잊습니다."라고 그는 말했습니다. "이 우주선을 만든 가속기는 수백만 년 전에 만들었을 수 있습니다."

새로운 하늘 이미지에서 눈에 띄는 것은 NGC 1068 및 TXS와 같은 소스의 강렬한 밝기입니다. 가까운 별과 뜨거운 가스로 가득 찬 은하수는 천문학자들이 광자로 볼 때 다른 모든 은하보다 더 빛납니다. 그러나 중성미자에서 볼 때 "놀라운 것은 우리 은하를 거의 볼 수 없다는 것"이라고 Halzen은 말했습니다. "하늘은 외부 은하계 소스에 의해 지배됩니다."

은하수 미스터리는 제쳐두고, 천체 물리학자들은 암흑 물질, 양자 중력 및 중성미자 행동에 대한 새로운 이론을 연구하기 위해 더 멀리, 더 밝은 소스를 사용하기를 원합니다.

기초 물리학 탐구

중성미자는 보다 완전한 입자 이론이 표준 모델로 알려진 50년 된 일련의 방정식을 대체해야 한다는 드문 단서를 제공합니다. 이 모델은 거의 완벽에 가까운 정밀도로 기본 입자와 힘을 설명하지만 중성미자에 관해서는 오류가 있습니다. 중성 입자가 질량이 없다고 예측하지만 그렇지 않습니다.

물리학자들은 1998년에 중성미자가 세 가지 유형 사이에서 형태를 바꿀 수 있다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, 태양에 의해 방출된 전자 중성미자는 지구에 도달할 때까지 뮤온 중성미자로 변할 수 있습니다. 그리고 형태를 바꾸려면 중성미자가 질량을 가져야 합니다. 진동은 각 중성미자가 XNUMX개의 서로 다른(모두 매우 작은) 질량의 양자 혼합물인 경우에만 의미가 있습니다.

수십 번의 실험을 통해 입자 물리학자들은 태양, 대기, 실험실에서 만든 다양한 중성미자의 진동 패턴에 대한 그림을 점진적으로 구축할 수 있었습니다. 그러나 AGN에서 발생하는 우주 중성미자는 훨씬 더 먼 거리와 에너지에 걸쳐 입자의 진동 동작을 보여줍니다. 이것은 그것들을 "표준 모델을 넘어서는 물리학에 대한 매우 민감한 프로브"로 만든다고 말했습니다. 카를로스 아르겔레스-Delgado, 거대한 IceCube 협력의 일부이기도 한 Harvard University의 중성미자 물리학자.

우주 중성미자 소스는 너무 멀리 떨어져 있어 중성미자 진동이 흐려져야 합니다. 천체물리학자들은 어디를 보든 세 가지 중성미자 유형 각각의 일정한 비율을 볼 것으로 예상합니다. 이러한 비율의 변동은 중성미자 진동 모델을 재고해야 함을 나타냅니다.

또 다른 가능성은 많은 사람들이 예측한 것처럼 우주 중성미자가 이동하면서 암흑 물질과 상호 작용한다는 것입니다. 다크 섹터 모델. 이 모델은 우주의 보이지 않는 물질이 여러 유형의 비발광 입자로 구성되어 있다고 제안합니다. 이 암흑 물질 입자와의 상호 작용은 특정 에너지를 가진 중성미자를 산란시키고 틈을 만들다 우리가 보는 우주 중성미자의 스펙트럼에서.

또는 시공간의 양자 구조 자체가 중성미자를 끌어 느려지게 할 수 있습니다. 최근 이탈리아에 기반을 둔 그룹 논쟁하다 자연 천문학 IceCube 데이터는 이러한 상황에 대한 힌트를 보여주지만 다른 물리학자들은 회의적이었습니다. 이러한 주장 중.

이와 같은 효과는 미미하지만 은하 간 거리로 인해 감지 가능한 수준으로 확대될 수 있습니다. Scholberg는 "그것은 확실히 탐구할 가치가 있는 것입니다."라고 말했습니다.

이미 아르겔레스-Delgado와 공동 연구자들은 시공간의 양자 구조에 대한 증거를 찾기 위해 NGC 1068과 같은 특정 소스가 아닌 우주 중성미자의 확산 배경을 사용했습니다. 그들이 보고 된 자연 물리 XNUMX월에 그들은 아무것도 찾지 못했지만 세 번째 유형의 중성미자(타우)와 IceCube 검출기의 전자 중성미자를 구별하는 것이 어려웠기 때문에 검색에 어려움을 겪었습니다. 필요한 것은 "더 나은 입자 식별"이라고 공동 저자는 말했습니다. 카토리 텟페이 킹스 칼리지 런던의 에 대한 연구가 진행 중 두 가지 유형을 풀다.

Katori는 우주 중성미자 소스의 특정 위치와 메커니즘을 아는 것이 새로운 물리학에 대한 이러한 검색의 민감도에서 "큰 도약"을 제공할 것이라고 말했습니다. 각 중성미자 유형의 정확한 비율은 소스 모델에 따라 다르며 가장 인기 있는 모델은 우연히 세 가지 중성미자 종 중 동일한 수가 지구에 도착할 것이라고 예측합니다. 그러나 우주 중성미자는 여전히 제대로 이해되지 않았기 때문에 세 가지 유형의 분수에서 관찰된 불균형이 잘못 해석될 수 있습니다. 그 결과는 양자 중력, 암흑 물질 또는 깨진 중성미자 진동 모델의 결과이거나 우주 중성미자 생성의 여전히 흐릿한 물리학일 수 있습니다. (그러나 일부 비율은 새로운 물리학의 "스모킹 건" 서명이 될 것이라고 Argüelles는 말했습니다.-델가도.)

궁극적으로 우리는 더 많은 우주 중성미자를 탐지해야 한다고 Katori는 말했습니다. 그리고 그렇게 될 것 같습니다. IceCube는 향후 몇 년 동안 10입방 킬로미터로 업그레이드 및 확장되고 있으며, XNUMX월에는 시베리아 바이칼 호수 아래에 중성미자 검출기가 설치됩니다. 첫 번째 의견을 게시했습니다. TXS에서 우주 중성미자.

그리고 지중해 깊숙한 곳에서 수십 개의 중성미자 검출기가 집합적으로 호출됩니다. KM3Net 우주 중성미자 하늘의 보완적인 전망을 제공하기 위해 잠수정 로봇에 의해 해저에 고정되고 있습니다. “압력이 엄청납니다. 바다는 매우 가혹합니다.”라고 마르세유 입자 물리학 센터의 연구 책임자이자 실험 대변인인 Paschal Coyle은 말했습니다. 그러나 "우리는 하늘을 면밀히 조사하는 더 많은 망원경과 더 많은 공유 관찰이 필요하며, 이는 지금 오고 있습니다."