Nowa mapa wszechświata namalowana kosmicznymi neutrinami | Magazyn Quanta

Spośród 100 bilionów neutrin, które przechodzą przez ciebie w każdej sekundzie, większość pochodzi ze Słońca lub ziemskiej atmosfery. Ale niewielka część cząstek – tych poruszających się znacznie szybciej niż reszta – przybyła tutaj z potężnych źródeł, znajdujących się dalej. Przez dziesięciolecia astrofizycy szukali pochodzenia tych „kosmicznych” neutrin. Teraz Obserwatorium IceCube Neutrino w końcu zebrało ich wystarczająco dużo, aby ujawnić charakterystyczne wzorce ich pochodzenia.

W artykuł opublikowany dziś w nauka, zespół ujawnił pierwszą mapę Drogi Mlecznej w neutrinach. (Zwykle nasza galaktyka jest mapowana z fotonami, cząstkami światła.) Nowa mapa pokazuje rozproszoną mgiełkę kosmicznych neutrin emanujących z całej Drogi Mlecznej, ale co dziwne, żadne pojedyncze źródło się nie wyróżnia. — To tajemnica — powiedział Franciszka Halzena, który prowadzi IceCube.

Wyniki podążają za Badanie IceCube z zeszłej jesieni, także w nauka, który jako pierwszy połączył kosmiczne neutrina z indywidualnym źródłem. Pokazało, że duża część kosmicznych neutrin wykrytych do tej pory przez obserwatorium pochodzi z serca „aktywnej” galaktyki NGC 1068. W świecącym jądrze galaktyki materia wiruje spiralnie do centralnej supermasywnej czarnej dziury, tworząc w jakiś sposób kosmiczne neutrina w trakcie.

„To naprawdę satysfakcjonujące” — powiedział Kate Scholberg, fizyk neutrin z Duke University, który nie był zaangażowany w badania. „Właściwie zidentyfikowali galaktykę. To jest coś, czego cała społeczność astronomii neutrinowej próbowała dokonać od zawsze”.

Zidentyfikowanie kosmicznych źródeł neutrin otwiera możliwość wykorzystania cząstek jako nowej sondy fundamentalnej fizyki. Naukowcy wykazali, że neutrina można wykorzystać do otwierania pęknięć w obowiązującym Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, a nawet do testowania kwantowych opisów grawitacji.

Jednak zidentyfikowanie pochodzenia przynajmniej niektórych neutrin kosmicznych to tylko pierwszy krok. Niewiele wiadomo o tym, w jaki sposób aktywność wokół niektórych supermasywnych czarnych dziur generuje te cząstki, a jak dotąd dowody wskazują na wiele procesów lub okoliczności.

Długo poszukiwane pochodzenie

Mimo ich obfitości neutrina zwykle przelatują przez Ziemię bez pozostawiania śladu; trzeba było zbudować wspaniale ogromny detektor, aby wykryć ich wystarczającą liczbę, aby dostrzec wzorce w kierunkach, z których przybywają. IceCube, zbudowany 12 lat temu, składa się z kilometrowych ciągów detektorów wwierconych głęboko w lód Antarktydy. Każdego roku IceCube wykrywa kilkanaście kosmicznych neutrin o tak wysokiej energii, że wyraźnie wyróżniają się one na tle neutrin atmosferycznych i słonecznych. Bardziej wyrafinowane analizy mogą wyodrębnić dodatkowych kandydatów na neutrina kosmiczne z pozostałych danych.

Astrofizycy wiedzą, że takie energetyczne neutrina mogą powstać tylko wtedy, gdy szybko poruszające się jądra atomowe, znane jako promienie kosmiczne, zderzają się z materią gdzieś w przestrzeni. A bardzo niewiele miejsc we wszechświecie ma pola magnetyczne wystarczająco silne, by podbić promienie kosmiczne do wystarczających energii. Rozbłyski gamma, ultrajasne rozbłyski światła, które pojawiają się, gdy niektóre gwiazdy przechodzą w stan supernowej lub gdy gwiazdy neutronowe wpadają na siebie po spirali, od dawna uważano za jedną z najbardziej prawdopodobnych opcji. Jedyną realną alternatywą były aktywne jądra galaktyczne lub AGN — galaktyki, których centralne supermasywne czarne dziury wyrzucają cząsteczki i promieniowanie, gdy materia opada.

Teoria rozbłysków gamma straciła na znaczeniu w 2012 roku, kiedy astrofizycy zdali sobie sprawę, że jeśli odpowiedzialne są za to jasne rozbłyski, spodziewalibyśmy się zobaczyć wiele innych kosmicznych neutrin niż my. Mimo to spór był daleki od rozstrzygnięcia.

Następnie, w 2016 roku, IceCube zaczął wysyłać alerty za każdym razem, gdy wykrył kosmiczne neutrino, co skłoniło innych astronomów do trenowania teleskopów w kierunku, z którego pochodzi. We wrześniu następnego roku wstępnie dopasowali kosmiczne neutrino do aktywnej galaktyki zwanej TXS 0506+056, w skrócie TXS, który jednocześnie emitował rozbłyski promieniowania rentgenowskiego i gamma. „To z pewnością wzbudziło duże zainteresowanie” – powiedział Marcosa Santandera, współpracownik IceCube z University of Alabama.

Zebrano coraz więcej neutrin kosmicznych, a na tle neutrin atmosferycznych zaczął wyróżniać się kolejny skrawek nieba. W środku tego skrawka znajduje się pobliska galaktyka aktywna NGC 1068. Niedawna analiza IceCube pokazuje, że ta korelacja prawie na pewno równa się przyczynowości. W ramach analizy naukowcy IceCube ponownie skalibrowali swój teleskop i wykorzystali sztuczną inteligencję, aby lepiej zrozumieć jego wrażliwość na różne obszary nieba. Odkryli, że istnieje mniej niż 1 na 100,000 1068 szans, że obfitość neutrin pochodzących z kierunku NGC XNUMX jest przypadkową fluktuacją.

Statystyczna pewność, że TXS jest kosmicznym źródłem neutrin, nie jest daleko w tyle, a we wrześniu IceCube zarejestrował neutrino prawdopodobnie z okolic TXS, które nie zostało jeszcze przeanalizowane.

„Byliśmy częściowo ślepi; to tak, jakbyśmy skupili się na tym”, powiedział Halzen. „Wyścig toczył się między rozbłyskami promieniowania gamma a aktywnymi galaktykami. Ten wyścig został rozstrzygnięty”.

Mechanizm fizyczny

Te dwa AGN wydają się być najjaśniejszymi źródłami neutrin na niebie, ale, co zaskakujące, bardzo się różnią. TXS to rodzaj AGN znany jako blazar: wystrzeliwuje strumień wysokoenergetycznego promieniowania bezpośrednio w kierunku Ziemi. Jednak nie widzimy takiego dżetu skierowanego w naszą stronę z NGC 1068. Sugeruje to, że różne mechanizmy w sercach aktywnych galaktyk mogą powodować powstawanie kosmicznych neutrin. „Źródła wydają się być bardziej zróżnicowane” – powiedział Julia Cius, astrofizyk teoretyczny z Ruhr University Bochum w Niemczech i członek IceCube.

Halzen podejrzewa, że ​​wokół aktywnego rdzenia NGC 1068 znajduje się jakaś materia, która blokuje emisję promieni gamma podczas produkcji neutrin. Ale dokładny mechanizm jest domysłem. „Wiemy bardzo mało o jądrach aktywnych galaktyk, ponieważ są one zbyt skomplikowane” – powiedział.

Kosmiczne neutrina pochodzące z Drogi Mlecznej jeszcze bardziej zagmatwały sprawę. W naszej galaktyce nie ma oczywistych źródeł takich wysokoenergetycznych cząstek — w szczególności nie ma aktywnego jądra galaktyki. Jądro naszej galaktyki nie tętni życiem od milionów lat.

Halzen spekuluje, że te neutrina pochodzą z promieni kosmicznych wytwarzanych we wcześniejszej, aktywnej fazie naszej galaktyki. „Zawsze zapominamy, że patrzymy na jeden moment w czasie” – powiedział. „Akceleratory, które wytworzyły te promienie kosmiczne, mogły je wytworzyć miliony lat temu”.

Na nowym zdjęciu nieba wyróżnia się intensywna jasność źródeł takich jak NGC 1068 i TXS. Droga Mleczna, wypełniona pobliskimi gwiazdami i gorącym gazem, przyćmiewa wszystkie inne galaktyki, gdy astronomowie patrzą fotonami. Ale kiedy ogląda się ją w neutrinach, „niesamowite jest to, że ledwo widzimy naszą galaktykę” – powiedział Halzen. „Niebo jest zdominowane przez źródła pozagalaktyczne”.

Odkładając na bok tajemnicę Drogi Mlecznej, astrofizycy chcą wykorzystać dalsze, jaśniejsze źródła do badania ciemnej materii, grawitacji kwantowej i nowych teorii zachowania neutrin.

Sondowanie podstaw fizyki

Neutrina dostarczają rzadkich wskazówek, że pełniejsza teoria cząstek musi zastąpić 50-letni zestaw równań znany jako Model Standardowy. Ten model opisuje cząstki elementarne i siły z niemal idealną precyzją, ale popełnia błędy, jeśli chodzi o neutrina: przewiduje, że neutralne cząstki są bezmasowe, ale tak nie jest — niezupełnie.

Fizycy odkryli w 1998 r., że neutrina mogą zmieniać kształt między swoimi trzema różnymi typami; na przykład neutrino elektronowe emitowane przez słońce może zamienić się w neutrino mionowe, zanim dotrze na przykład do Ziemi. Aby zmienić kształt, neutrina muszą mieć masę — oscylacje mają sens tylko wtedy, gdy każdy gatunek neutrina jest kwantową mieszaniną trzech różnych (wszystkie bardzo małych) mas.

Dziesiątki eksperymentów pozwoliły fizykom cząstek elementarnych stopniowo zbudować obraz wzorców oscylacji różnych neutrin — słonecznych, atmosferycznych, wykonanych w laboratorium. Ale kosmiczne neutrina pochodzące z AGN dają wgląd w oscylacyjne zachowanie cząstek na znacznie większych odległościach i przy znacznie większych energiach. To czyni je „bardzo czułą sondą do fizyki, która wykracza poza Model Standardowy” – powiedział Carlosa Argüellesa-Delgado, fizyk neutrin z Uniwersytetu Harvarda, który jest również częścią rozległej współpracy IceCube.

Kosmiczne źródła neutrin są tak daleko, że oscylacje neutrin powinny być zamazane — gdziekolwiek spojrzą astrofizycy, spodziewają się zobaczyć stały ułamek każdego z trzech typów neutrin. Wszelkie fluktuacje tych frakcji wskazywałyby, że modele oscylacji neutrin wymagają ponownego przemyślenia.

Inną możliwością jest to, że kosmiczne neutrina wchodzą w interakcję z ciemną materią podczas podróży, jak wielu przewidywało modele ciemnego sektora. Modele te sugerują, że niewidzialna materia wszechświata składa się z wielu rodzajów nieświecących cząstek. Oddziaływania z tymi cząstkami ciemnej materii powodowałyby rozpraszanie neutrin o określonych energiach i stworzyć lukę w widmie neutrin kosmicznych, które widzimy.

Lub sama struktura kwantowa czasoprzestrzeni może ciągnąć neutrina, spowalniając je. Grupa z siedzibą we Włoszech niedawno kłócili się Natura Astronomia że dane IceCube pokazują wskazówki, jak to się dzieje, ale inni fizycy byli sceptyczni tych roszczeń.

Efekty takie jak te byłyby niewielkie, ale odległości międzygalaktyczne mogłyby je powiększyć do wykrywalnych poziomów. „To zdecydowanie coś, co warto zbadać” — powiedział Scholberg.

Już, Argüelles-Delgado i współpracownicy wykorzystali rozproszone tło kosmicznych neutrin – zamiast konkretnych źródeł, takich jak NGC 1068 – do poszukiwania dowodów na kwantową strukturę czasoprzestrzeni. Jak oni zgłoszone w Fizyka przyrody w październiku nic nie znaleźli, ale ich poszukiwania utrudniała trudność w odróżnieniu trzeciej odmiany neutrina — tau — od neutrina elektronowego w detektorze IceCube. Potrzebna jest „lepsza identyfikacja cząstek” – powiedział współautor Teppei Katori z King's College w Londynie. Trwają badania do rozróżnić te dwa typy.

Katori mówi, że znajomość konkretnych lokalizacji i mechanizmów kosmicznych źródeł neutrin zapewniłaby „duży skok” w czułości tych poszukiwań nowej fizyki. Dokładna frakcja każdego rodzaju neutrin zależy od modelu źródłowego, a najbardziej popularne modele przypadkowo przewidują, że na Ziemię dotrze taka sama liczba trzech rodzajów neutrin. Ale kosmiczne neutrina są nadal tak słabo poznane, że jakakolwiek zaobserwowana nierównowaga we frakcjach trzech typów może zostać błędnie zinterpretowana. Wynik może być konsekwencją grawitacji kwantowej, ciemnej materii lub zepsutego modelu oscylacji neutrin — lub po prostu wciąż niewyraźnej fizyki kosmicznej produkcji neutrin. (Jednakże niektóre proporcje byłyby sygnaturą nowej fizyki „dymiącego pistoletu”, powiedział Argüelles-Delgada.)

Ostatecznie musimy wykryć znacznie więcej kosmicznych neutrin, powiedział Katori. I wygląda na to, że będziemy. IceCube jest modernizowany i powiększany do 10 kilometrów sześciennych w ciągu najbliższych kilku lat, aw październiku detektor neutrin pod jeziorem Bajkał na Syberii opublikował swoją pierwszą obserwację kosmicznych neutrin z TXS.

A głęboko w Morzu Śródziemnym dziesiątki ciągów detektorów neutrin zwanych wspólnie KM3Net są mocowane na dnie morskim przez robota podwodnego, aby oferować uzupełniający widok kosmicznego nieba neutrinowego. „Presja jest ogromna; morze jest bardzo bezlitosne” – powiedział Paschal Coyle, dyrektor badań w Centrum Fizyki Cząstek w Marsylii i rzecznik eksperymentu. Ale „potrzebujemy więcej teleskopów badających niebo i więcej wspólnych obserwacji, co nadchodzi teraz”.