Een nieuwe kaart van het heelal, beschilderd met kosmische neutrino's | Quanta-tijdschrift

Van de 100 biljoen neutrino's die elke seconde door je heen gaan, komen de meeste van de zon of de atmosfeer van de aarde. Maar een paar deeltjes - die veel sneller bewegen dan de rest - kwamen hierheen vanuit krachtige bronnen verder weg. Decennia lang hebben astrofysici gezocht naar de oorsprong van deze "kosmische" neutrino's. Nu heeft het IceCube Neutrino Observatory er eindelijk genoeg van verzameld om veelbetekenende patronen te onthullen in waar ze vandaan komen.

In een paper vandaag gepubliceerd in Wetenschaponthulde het team de eerste kaart van de Melkweg in neutrino's. (Meestal wordt ons melkwegstelsel in kaart gebracht met fotonen, lichtdeeltjes.) De nieuwe kaart toont een diffuse waas van kosmische neutrino's die uit de hele Melkweg komen, maar vreemd genoeg vallen geen individuele bronnen op. 'Het is een mysterie', zei hij Franciscus Halzen, die IceCube leidt.

De resultaten volgen een IceCube studie van afgelopen najaar, ook in Wetenschap, dat was de eerste die kosmische neutrino's verbond met een individuele bron. Het toonde aan dat een groot deel van de kosmische neutrino's die tot nu toe door het observatorium zijn gedetecteerd, afkomstig is uit het hart van een "actief" sterrenstelsel genaamd NGC 1068. In de gloeiende kern van het sterrenstelsel spiraalt materie in een centraal superzwaar zwart gat, waardoor op de een of andere manier kosmische neutrino's ontstaan. in het proces.

"Het is echt verheugend," zei Kate Scholberg, een neutrinofysicus aan de Duke University die niet betrokken was bij het onderzoek. 'Ze hebben een melkwegstelsel geïdentificeerd. Dit is het soort ding dat de hele gemeenschap van neutrino-astronomie al eeuwenlang probeert te doen.”

Het lokaliseren van kosmische neutrinobronnen opent de mogelijkheid om de deeltjes te gebruiken als een nieuwe sonde van fundamentele fysica. Onderzoekers hebben aangetoond dat de neutrino's kunnen worden gebruikt om scheuren in het heersende standaardmodel van de deeltjesfysica te openen en zelfs kwantumbeschrijvingen van de zwaartekracht te testen.

Toch is het identificeren van de oorsprong van ten minste enkele kosmische neutrino's slechts een eerste stap. Er is weinig bekend over hoe de activiteit rond sommige superzware zwarte gaten deze deeltjes genereert, en tot nu toe wijst het bewijs op meerdere processen of omstandigheden.

Lang gezochte oorsprong

Hoe overvloedig ze ook zijn, neutrino's schieten meestal door de aarde zonder een spoor achter te laten; er moest een magnifiek grote detector worden gebouwd om er genoeg te detecteren om patronen waar te nemen in de richtingen waar ze vandaan komen. IceCube, 12 jaar geleden gebouwd, bestaat uit kilometerslange reeksen detectoren die diep in het Antarctische ijs zijn geboord. Elk jaar detecteert IceCube een tiental kosmische neutrino's met zo'n hoge energie dat ze duidelijk afsteken tegen een waas van atmosferische en zonne-neutrino's. Meer geavanceerde analyses kunnen aanvullende kandidaat-kosmische neutrino's uit de rest van de gegevens halen.

Astrofysici weten dat dergelijke energetische neutrino's alleen kunnen ontstaan ​​wanneer snel bewegende atoomkernen, bekend als kosmische straling, ergens in de ruimte botsen met materiaal. En zeer weinig plaatsen in het universum hebben magnetische velden die sterk genoeg zijn om kosmische straling op te zwepen tot voldoende energie. Gammastraaluitbarstingen, ultraheldere lichtflitsen die optreden wanneer sommige sterren supernova worden of wanneer neutronensterren in elkaar overgaan, werden lang beschouwd als een van de meest plausibele opties. Het enige echte alternatief waren actieve galactische kernen, of AGN's - sterrenstelsels waarvan de centrale superzware zwarte gaten deeltjes en straling uitspuwen terwijl materie erin valt.

De gammastraal-uitbarstingstheorie verloor terrein in 2012, toen astrofysici zich realiseerden dat als deze heldere uitbarstingen verantwoordelijk waren, we zouden verwachten veel meer kosmische neutrino's dan wij. Toch was het geschil verre van beslecht.

Toen, in 2016, begon IceCube waarschuwingen uit te zenden telkens wanneer ze een kosmisch neutrino detecteerden, wat andere astronomen ertoe aanzette telescopen te richten in de richting waar het vandaan kwam. De volgende september, ze voorlopig koppelde een kosmische neutrino aan een actief sterrenstelsel genaamd TXS 0506+056, of kortweg TXS, die tegelijkertijd röntgenstralen en gammastralen uitzond. "Dat wekte zeker veel interesse", zei Marco Santander, een medewerker van IceCube aan de Universiteit van Alabama.

Er werden steeds meer kosmische neutrino's verzameld en een ander stukje lucht begon af te steken tegen de achtergrond van atmosferische neutrino's. In het midden van deze patch bevindt zich het nabijgelegen actieve sterrenstelsel NGC 1068. IceCube's recente analyse laat zien dat deze correlatie vrijwel zeker gelijk is aan oorzakelijk verband. Als onderdeel van de analyse hebben IceCube-wetenschappers hun telescoop opnieuw gekalibreerd en kunstmatige intelligentie gebruikt om de gevoeligheid voor verschillende delen van de hemel beter te begrijpen. Ze ontdekten dat er minder dan 1 op 100,000 kans is dat de overvloed aan neutrino's die uit de richting van NGC 1068 komen een willekeurige fluctuatie is.

Statistische zekerheid dat TXS een kosmische neutrinobron is, loopt niet ver achter, en in september registreerde IceCube een neutrino waarschijnlijk uit de buurt van TXS dat nog niet is geanalyseerd.

“We waren gedeeltelijk blind; het is alsof we de focus hebben verlegd,” zei Halzen. “De race ging tussen gammastraaluitbarstingen en actieve sterrenstelsels. Die race is beslist.”

Het fysieke mechanisme

Deze twee AGN's lijken de helderste neutrinobronnen aan de hemel te zijn, maar vreemd genoeg zijn ze heel verschillend. TXS is een type AGN dat bekend staat als een blazar: het schiet een straal hoogenergetische straling rechtstreeks naar de aarde. Toch zien we zo'n jet niet onze kant op wijzen vanaf NGC 1068. Dit suggereert dat verschillende mechanismen in het hart van actieve sterrenstelsels aanleiding zouden kunnen geven tot kosmische neutrino's. "De bronnen lijken meer divers te zijn," zei Julia Tjus, een theoretisch astrofysicus aan de Ruhr Universiteit van Bochum in Duitsland en lid van IceCube.

Halzen vermoedt dat er materiaal rond de actieve kern in NGC 1068 zit dat de emissie van gammastraling blokkeert wanneer neutrino's worden geproduceerd. Maar het precieze mechanisme is voor iedereen een raadsel. "We weten heel weinig over de kernen van actieve sterrenstelsels omdat ze te ingewikkeld zijn", zei hij.

De kosmische neutrino's die uit de Melkweg komen, verwarren de zaken verder. Er zijn geen voor de hand liggende bronnen van dergelijke hoogenergetische deeltjes in ons melkwegstelsel - in het bijzonder geen actieve galactische kern. De kern van ons melkwegstelsel is al miljoenen jaren niet meer bedreven.

Halzen speculeert dat deze neutrino's afkomstig zijn van kosmische straling die wordt geproduceerd in een eerdere, actieve fase van ons sterrenstelsel. "We vergeten altijd dat we naar een bepaald moment in de tijd kijken", zei hij. "De versnellers die deze kosmische straling hebben gemaakt, hebben ze misschien miljoenen jaren geleden gemaakt."

Wat opvalt in het nieuwe beeld van de lucht is de intense helderheid van bronnen als NGC 1068 en TXS. De Melkweg, gevuld met nabije sterren en heet gas, overtreft alle andere sterrenstelsels wanneer astronomen met fotonen kijken. Maar als het in neutrino's wordt bekeken, "is het verbazingwekkende dat we ons sterrenstelsel nauwelijks kunnen zien", zei Halzen. "De lucht wordt gedomineerd door extragalactische bronnen."

Afgezien van het mysterie van de Melkweg, willen astrofysici de verder gelegen, helderdere bronnen gebruiken om donkere materie, kwantumzwaartekracht en nieuwe theorieën over het gedrag van neutrino's te bestuderen.

Fundamentele natuurkunde onderzoeken

Neutrino's bieden zeldzame aanwijzingen dat een meer complete deeltjestheorie de 50 jaar oude reeks vergelijkingen die bekend staat als het standaardmodel moet vervangen. Dit model beschrijft elementaire deeltjes en krachten met bijna perfecte precisie, maar het vergist zich als het gaat om neutrino's: het voorspelt dat de neutrale deeltjes massaloos zijn, maar dat zijn ze niet - niet helemaal.

Natuurkundigen ontdekten in 1998 dat neutrino's van vorm kunnen veranderen tussen hun drie verschillende typen; een door de zon uitgezonden elektronenneutrino kan bijvoorbeeld in een muonneutrino veranderen tegen de tijd dat het de aarde bereikt. En om van vorm te veranderen, moeten neutrino's massa hebben - de oscillaties hebben alleen zin als elke neutrinosoort een kwantummengsel is van drie verschillende (allemaal zeer kleine) massa's.

Tientallen experimenten hebben deeltjesfysici in staat gesteld om geleidelijk een beeld op te bouwen van de oscillatiepatronen van verschillende neutrino's - zonne-, atmosferische, in het laboratorium gemaakte. Maar kosmische neutrino's afkomstig van AGN's bieden een blik op het oscillerende gedrag van de deeltjes over veel grotere afstanden en energieën. Dit maakt ze "een zeer gevoelige sonde voor natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel", zei Carlos Argüelles-Dun, een neutrinofysicus aan de Harvard University die ook deel uitmaakt van de uitgestrekte IceCube-samenwerking.

Kosmische neutrinobronnen zijn zo ver weg dat de neutrino-oscillaties vervaagd zouden moeten worden - waar astrofysici ook kijken, ze verwachten een constante fractie van elk van de drie neutrinotypes te zien. Elke fluctuatie in deze fracties zou erop wijzen dat neutrino-oscillatiemodellen opnieuw moeten worden bekeken.

Een andere mogelijkheid is dat kosmische neutrino's tijdens hun reis interageren met donkere materie, zoals door velen is voorspeld donkere sector modellen. Deze modellen stellen voor dat de onzichtbare materie van het universum uit meerdere soorten niet-lichtgevende deeltjes bestaat. Interacties met deze donkere materiedeeltjes zouden neutrino's met specifieke energieën verstrooien en een kloof creëren in het spectrum van kosmische neutrino's dat we zien.

Of de kwantumstructuur van ruimte-tijd zelf kan de neutrino's slepen en ze vertragen. Een groep die onlangs in Italië is gevestigd beargumenteerd Natuurastronomie dat IceCube-gegevens hints laten zien dat dit gebeurt, maar andere natuurkundigen waren sceptisch van deze vorderingen.

Effecten zoals deze zouden miniem zijn, maar intergalactische afstanden zouden ze kunnen vergroten tot detecteerbare niveaus. "Dat is zeker iets dat het ontdekken waard is", zei Scholberg.

Reeds, Argüelles-Delgado en medewerkers hebben de diffuse achtergrond van kosmische neutrino's gebruikt - in plaats van specifieke bronnen zoals NGC 1068 - om te zoeken naar bewijs van de kwantumstructuur van ruimte-tijd. Zoals zij gemeld in Natuurfysica in oktober vonden ze niets, maar hun zoektocht werd gehinderd door de moeilijkheid om de derde soort neutrino - tau - te onderscheiden van een elektronenneutrino in de IceCube-detector. Wat nodig is, is "betere deeltjesidentificatie", zei co-auteur Teppe Katori van King's College London. Er wordt onderzoek naar gedaan de twee soorten uit elkaar halen.

Katori zegt dat het kennen van specifieke locaties en mechanismen van kosmische neutrinobronnen een "grote sprong" zou maken in de gevoeligheid van deze zoektochten naar nieuwe fysica. De exacte fractie van elk type neutrino hangt af van het bronmodel, en de meest populaire modellen voorspellen toevallig dat gelijke aantallen van de drie neutrinosoorten op aarde zullen aankomen. Maar kosmische neutrino's worden nog steeds zo slecht begrepen dat elke waargenomen onbalans in de fracties van de drie typen verkeerd kan worden geïnterpreteerd. Het resultaat kan een gevolg zijn van kwantumzwaartekracht, donkere materie of een gebroken neutrino-oscillatiemodel - of gewoon de nog steeds wazige fysica van de productie van kosmische neutrino's. (Sommige verhoudingen zouden echter een 'rokend pistool'-kenmerk van nieuwe fysica zijn, zei Argüelles-Delgado.)

Uiteindelijk moeten we nog veel meer kosmische neutrino's detecteren, zei Katori. En het ziet ernaar uit dat we dat gaan doen. IceCube wordt de komende jaren geüpgraded en uitgebreid tot 10 kubieke kilometer, en in oktober een neutrinodetector onder het Baikalmeer in Siberië plaatste zijn eerste waarneming van kosmische neutrino's van TXS.

En diep in de Middellandse Zee worden tientallen reeksen neutrinodetectoren gezamenlijk genoemd KM3Net worden op de zeebodem vastgemaakt door een onderdompelbare robot om een ​​complementair beeld van de kosmische neutrino-hemel te bieden. “De druk is enorm; de zee is erg meedogenloos', zegt Paschal Coyle, onderzoeksdirecteur van het Marseille Particle Physics Centre en woordvoerder van het experiment. Maar "we hebben meer telescopen nodig die de lucht onderzoeken en meer gedeelde waarnemingen, en dat komt nu."