Et nytt kart over universet, malt med kosmiske nøytrinoer | Quanta Magazine

Av de 100 billioner nøytrinoene som passerer gjennom deg hvert sekund, kommer de fleste fra solen eller jordens atmosfære. Men en del av partiklene - de som beveger seg mye raskere enn resten - reiste hit fra kraftige kilder lenger unna. I flere tiår har astrofysikere søkt opphavet til disse "kosmiske" nøytrinoene. Nå har IceCube Neutrino Observatory endelig samlet nok av dem til å avsløre avslørende mønstre i hvor de kommer fra.

I en papir publisert i dag i Vitenskap, avslørte teamet det første kartet over Melkeveien i nøytrinoer. (Vanligvis er galaksen vår kartlagt med fotoner, partikler av lys.) Det nye kartet viser en diffus dis av kosmiske nøytrinoer som kommer fra hele Melkeveien, men merkelig nok skiller ingen individuelle kilder seg ut. "Det er et mysterium," sa Francis Halzen, som leder IceCube.

Resultatene følger en IceCube-studie fra i fjor høst, også i Vitenskap, som var den første som koblet kosmiske nøytrinoer til en individuell kilde. Den viste at en stor del av de kosmiske nøytrinoene som så langt er oppdaget av observatoriet har kommet fra hjertet av en "aktiv" galakse kalt NGC 1068. I galaksens glødende kjerne spiraler materie inn i et sentralt supermassivt svart hull, og lager kosmiske nøytrinoer på en eller annen måte. i prosessen.

"Det er virkelig gledelig," sa Kate Scholberg, en nøytrinofysiker ved Duke University som ikke var involvert i forskningen. "De har faktisk identifisert en galakse. Dette er den typen ting hele nøytrino-astronomisamfunnet har prøvd å gjøre i evig tid.»

Å finne kosmiske nøytrinokilder åpner for muligheten for å bruke partiklene som en ny sonde for grunnleggende fysikk. Forskere har vist at nøytrinoene kan brukes til å åpne sprekker i den regjerende standardmodellen for partikkelfysikk og til og med teste kvantebeskrivelser av tyngdekraften.

Men å identifisere opprinnelsen til i det minste noen kosmiske nøytrinoer er bare et første skritt. Lite er kjent om hvordan aktiviteten rundt noen supermassive sorte hull genererer disse partiklene, og så langt peker bevisene på flere prosesser eller omstendigheter.

Lenge søkt opprinnelse

Mange som de er, glider vanligvis nøytrinoer gjennom jorden uten å etterlate spor; det måtte bygges en fantastisk stor detektor for å oppdage nok av dem til å oppfatte mønstre i retningene de kommer fra. IceCube, bygget for 12 år siden, består av kilometerlange rekker av detektorer boret dypt inn i den antarktiske isen. Hvert år oppdager IceCube et dusin eller så kosmiske nøytrinoer med så høy energi at de tydelig skiller seg ut mot en dis av atmosfæriske nøytrinoer og solenergi. Mer sofistikerte analyser kan teste ut flere kandidater for kosmiske nøytrinoer fra resten av dataene.

Astrofysikere vet at slike energiske nøytrinoer bare kan oppstå når raskt bevegelige atomkjerner, kjent som kosmiske stråler, kolliderer med materiale et sted i verdensrommet. Og svært få steder i universet har magnetiske felt sterke nok til å piske kosmiske stråler opp til tilstrekkelige energier. Gammastråleutbrudd, ultrasterke lysglimt som oppstår når noen stjerner går i supernova eller når nøytronstjerner spirerer seg inn i hverandre, ble lenge ansett som et av de mest plausible alternativene. Det eneste reelle alternativet var aktive galaktiske kjerner, eller AGN-galakser hvis sentrale supermassive sorte hull spyr ut partikler og stråling når materie faller inn.

Gammastråleutbruddsteorien tapte terreng i 2012, da astrofysikere innså at hvis disse lyse utbruddene var ansvarlige, ville vi forvente å se mange flere kosmiske nøytrinoer enn vi gjør. Likevel var striden langt fra avgjort.

Så, i 2016, begynte IceCube å sende ut varsler hver gang de oppdaget en kosmisk nøytrino, noe som fikk andre astronomer til å trene teleskoper i retningen den kom fra. Den påfølgende september, de forsøksvis matchet en kosmisk nøytrino med en aktiv galakse kalt TXS 0506+056, eller TXS for kort, som sendte ut bluss av røntgenstråler og gammastråler på samme tid. "Det vakte absolutt stor interesse," sa Marcos Santander, en IceCube-samarbeidspartner ved University of Alabama.

Flere og flere kosmiske nøytrinoer ble samlet inn, og en annen himmelflekk begynte å skille seg ut mot bakgrunnen av atmosfæriske nøytrinoer. I midten av denne flekken er den nærliggende aktive galaksen NGC 1068. IceCubes nylige analyse viser at denne korrelasjonen nesten helt sikkert tilsvarer årsakssammenheng. Som en del av analysen rekalibrerte IceCube-forskere teleskopet sitt og brukte kunstig intelligens for å bedre forstå dets følsomhet for forskjellige himmelflekker. De fant at det er mindre enn en 1-i-100,000 1068 sjanse for at mengden av nøytrinoer som kommer fra retningen til NGC XNUMX er en tilfeldig svingning.

Statistisk sikkerhet for at TXS er en kosmisk nøytrinokilde er ikke langt bak, og i september registrerte IceCube en nøytrino sannsynligvis fra nærheten av TXS som ennå ikke er analysert.

«Vi var delvis blinde; det er som om vi har vendt fokus på, sa Halzen. «Kløpet var mellom gammastråleutbrudd og aktive galakser. Det løpet er avgjort."

Den fysiske mekanismen

Disse to AGN-ene ser ut til å være de lyseste nøytrinokildene på himmelen, men likevel er de veldig forskjellige. TXS er en type AGN kjent som en blazar: Den skyter en stråle med høyenergistråling direkte mot jorden. Likevel ser vi ingen slik jet som peker vår vei fra NGC 1068. Dette antyder at forskjellige mekanismer i hjertet av aktive galakser kan gi opphav til kosmiske nøytrinoer. "Kildene ser ut til å være mer forskjellige," sa Julia Tjus, en teoretisk astrofysiker ved Ruhr University Bochum i Tyskland og medlem av IceCube.

Halzen mistenker at det er noe materiale rundt den aktive kjernen i NGC 1068 som blokkerer utslipp av gammastråler når nøytrinoer produseres. Men den nøyaktige mekanismen er noens gjetning. "Vi vet veldig lite om kjernene til aktive galakser fordi de er for kompliserte," sa han.

De kosmiske nøytrinoene med opprinnelse i Melkeveien forvirrer ting ytterligere. Det er ingen åpenbare kilder til slike høyenergipartikler i vår galakse - spesielt ingen aktiv galaktisk kjerne. Galaksens kjerne har ikke vært travle på millioner av år.

Halzen spekulerer i at disse nøytrinoene kommer fra kosmiske stråler produsert i en tidligere, aktiv fase av galaksen vår. "Vi glemmer alltid at vi ser på ett øyeblikk i tid," sa han. "Akseleratorene som laget disse kosmiske strålene kan ha laget dem for millioner av år siden."

Det som skiller seg ut i det nye bildet av himmelen er den intense lysstyrken til kilder som NGC 1068 og TXS. Melkeveien, fylt med nærliggende stjerner og varm gass, overstråler alle andre galakser når astronomer ser med fotoner. Men når den ses på nøytrinoer, "det fantastiske er at vi knapt kan se galaksen vår," sa Halzen. "Himmelen er dominert av ekstragalaktiske kilder."

For å sette Melkeveiens mysterium til side, ønsker astrofysikere å bruke de lengre, lysere kildene til å studere mørk materie, kvantetyngdekraft og nye teorier om nøytrino-adferd.

Utforsker grunnleggende fysikk

Nøytrinoer gir sjeldne ledetråder om at en mer fullstendig teori om partikler må erstatte det 50 år gamle settet med ligninger kjent som standardmodellen. Denne modellen beskriver elementærpartikler og krefter med nesten perfekt presisjon, men den tar feil når det kommer til nøytrinoer: Den forutsier at de nøytrale partiklene er masseløse, men det er de ikke - ikke helt.

Fysikere oppdaget i 1998 at nøytrinoer kan skifte form mellom deres tre forskjellige typer; en elektronnøytrino som sendes ut av solen, kan for eksempel bli til en myonnøytrino når den når jorden. Og for å skifte form, må nøytrinoer ha masse - svingningene gir bare mening hvis hver nøytrinoart er en kvanteblanding av tre forskjellige (alle veldig små) masser.

Dusinvis av eksperimenter har gjort det mulig for partikkelfysikere å gradvis bygge opp et bilde av svingningsmønstrene til forskjellige nøytrinoer - solenergi, atmosfærisk, laboratorielaget. Men kosmiske nøytrinoer som stammer fra AGN gir en titt på partiklenes oscillerende oppførsel over langt større avstander og energier. Dette gjør dem til "en veldig følsom sonde for fysikk som er utenfor standardmodellen," sa Carlos Argüelles-Tynn, en nøytrinofysiker ved Harvard University som også er en del av det vidstrakte IceCube-samarbeidet.

Kosmiske nøytrinokilder er så langt unna at nøytrinoscillasjonene burde bli uskarpe - uansett hvor astrofysikere ser, forventer de å se en konstant brøkdel av hver av de tre nøytrinotypene. Enhver svingning i disse fraksjonene vil indikere at nøytrinoscillasjonsmodeller trenger å tenke nytt.

En annen mulighet er at kosmiske nøytrinoer samhandler med mørk materie mens de reiser, slik mange har forutsagt modeller i mørk sektor. Disse modellene foreslår at universets usynlige materie består av flere typer ikke-lysende partikler. Interaksjoner med disse mørk materiepartiklene ville spre nøytrinoer med spesifikke energier og skape et gap i spekteret av kosmiske nøytrinoer som vi ser.

Eller selve kvantestrukturen til romtiden kan trekke på nøytrinoene og bremse dem. En gruppe basert i Italia nylig argumenterte i Naturstjernen at IceCube-data viser hint om at dette skjer, men andre fysikere har vært skeptiske av disse påstandene.

Effekter som disse ville være små, men intergalaktiske avstander kan forstørre dem til påvisbare nivåer. "Det er definitivt noe som er verdt å utforske," sa Scholberg.

Allerede, Argüelles-Delgado og samarbeidspartnere har brukt den diffuse bakgrunnen til kosmiske nøytrinoer - i stedet for spesifikke kilder som NGC 1068 - for å lete etter bevis på kvantestrukturen til rom-tid. Som de rapportert i Naturfysikk i oktober fant de ingenting, men søket deres ble hemmet av vanskeligheten med å skille den tredje varianten av nøytrino – tau – fra en elektronnøytrino i IceCube-detektoren. Det som trengs er "bedre partikkelidentifikasjon," sa medforfatter Teppei Katori fra King's College London. Det pågår forskning for å løsne de to typene.

Katori sier at å kjenne til spesifikke steder og mekanismer for kosmiske nøytrinokilder vil gi et "stort hopp" i følsomheten til disse søkene etter ny fysikk. Den nøyaktige brøkdelen av hver nøytrinotype avhenger av kildemodellen, og de mest populære modellene forutsier ved en tilfeldighet at like mange av de tre nøytrinoartene vil ankomme jorden. Men kosmiske nøytrinoer er fortsatt så dårlig forstått at enhver observert ubalanse i brøkdelene av de tre typene kan mistolkes. Resultatet kan være en konsekvens av kvantetyngdekraften, mørk materie eller en ødelagt nøytrinoscillasjonsmodell - eller bare den fortsatt uskarpe fysikken til kosmisk nøytrinoproduksjon. (Noen forhold vil imidlertid være en "røykende pistol" signatur for ny fysikk, sa Argüelles-Delgado.)

Til syvende og sist må vi oppdage mange flere kosmiske nøytrinoer, sa Katori. Og det ser ut som om vi vil gjøre det. IceCube oppgraderes og utvides til 10 kubikkkilometer i løpet av de neste årene, og i oktober kommer en nøytrino-detektor under Baikalsjøen i Sibir la ut sin første observasjon av kosmiske nøytrinoer fra TXS.

Og dypt i Middelhavet kalles dusinvis av strenger med nøytrino-detektorer samlet KM3Net blir festet på havbunnen av en nedsenkbar robot for å tilby en komplementær utsikt over den kosmisk-nøytrino himmelen. «Presset er enormt; havet er veldig utilgivelig, sier Paschal Coyle, forskningsdirektør ved Marseille Particle Physics Center og eksperimentets talsperson. Men "vi trenger flere teleskoper som gransker himmelen og flere delte observasjoner, som kommer nå."