O nouă hartă a universului, pictată cu neutrini cosmici | Revista Quanta

Dintre cele 100 de trilioane de neutrini care trec prin tine în fiecare secundă, majoritatea provin de la soare sau din atmosfera Pământului. Dar o parte din particule - cele care se mișcă mult mai repede decât restul - au călătorit aici din surse puternice mai îndepărtate. De zeci de ani, astrofizicienii au căutat originea acestor neutrini „cosmici”. Acum, Observatorul de neutrini IceCube a strâns în sfârșit suficiente dintre ele pentru a dezvălui modele indicatoare de unde provin.

Într-o lucrare publicată astăzi în Ştiinţă, echipa a dezvăluit prima hartă a Căii Lactee în neutrini. (De obicei, galaxia noastră este cartografiată cu fotoni, particule de lumină.) Noua hartă arată o ceață difuză de neutrini cosmici care emană din toată Calea Lactee, dar în mod ciudat, nicio sursă individuală nu iese în evidență. „Este un mister”, a spus Francis Halzen, care conduce IceCube.

Rezultatele urmează an Studiu IceCube din toamna trecută, De asemenea, în Ştiinţă, acesta a fost primul care a conectat neutrinii cosmici la o sursă individuală. Acesta a arătat că o mare parte din neutrinii cosmici detectați până acum de observator au provenit din inima unei galaxii „active” numită NGC 1068. În miezul strălucitor al galaxiei, materia se învârte în spirală într-o gaură neagră supermasivă centrală, făcând cumva neutrini cosmici. în procesul.

„Este cu adevărat îmbucurător”, a spus Kate Scholberg, un fizician în neutrini de la Universitatea Duke care nu a fost implicat în cercetare. „De fapt, au identificat o galaxie. Acesta este genul de lucru pe care întreaga comunitate de neutrini astronomi încearcă să facă pentru totdeauna.”

Localizarea surselor cosmice de neutrini deschide posibilitatea utilizării particulelor ca o nouă sondă a fizicii fundamentale. Cercetătorii au arătat că neutrinii pot fi folosiți pentru a deschide fisuri în modelul standard al fizicii particulelor și chiar pentru a testa descrieri cuantice ale gravitației.

Cu toate acestea, identificarea originii cel puțin a unor neutrini cosmici este doar un prim pas. Se știe puțin despre modul în care activitatea din jurul unor găuri negre supermasive generează aceste particule și, până acum, dovezile indică procese sau circumstanțe multiple.

Origine mult căutată

Oricât de abundenți sunt, neutrinii trec de obicei prin Pământ fără a lăsa urme; a trebuit să fie construit un detector extraordinar de uriaș pentru a detecta destule dintre ele pentru a percepe modele în direcțiile din care sosesc. IceCube, construit în urmă cu 12 ani, este format din șiruri de detectoare lungi de un kilometru, adâncite în gheața Antarctică. În fiecare an, IceCube detectează aproximativ o duzină de neutrini cosmici cu o energie atât de mare încât se evidențiază în mod clar împotriva unei brume de neutrini atmosferici și solari. Analizele mai sofisticate pot scoate neutrini cosmici candidați suplimentari din restul datelor.

Astrofizicienii știu că astfel de neutrini energetici ar putea apărea numai atunci când nucleele atomice cu mișcare rapidă, cunoscute sub numele de raze cosmice, se ciocnesc cu materialul undeva în spațiu. Și foarte puține locuri din univers au câmpuri magnetice suficient de puternice pentru a biciui razele cosmice până la energii suficiente. Exploziile de raze gamma, fulgerările ultraluminoase care apar atunci când unele stele devin supernove sau când stelele neutronice spiralează unele în altele, au fost mult timp considerate una dintre cele mai plauzibile opțiuni. Singura alternativă reală au fost nucleele galactice active sau AGN - galaxii ale căror găuri negre supermasive centrale aruncă particule și radiații pe măsură ce materia intră.

Teoria exploziei de raze gamma a pierdut teren în 2012, când astrofizicienii și-au dat seama că, dacă aceste explozii luminoase ar fi responsabile, ne-am aștepta să vedem mult mai multi neutrini cosmici decât noi. Totuși, disputa era departe de a fi rezolvată.

Apoi, în 2016, IceCube a început să trimită alerte de fiecare dată când au detectat un neutrin cosmic, determinând alți astronomi să antreneze telescoape în direcția din care venea. În septembrie următor, au încercat a combinat un neutrin cosmic cu o galaxie activă numită TXS 0506+056, sau TXS pe scurt, care emite raze X și raze gamma în același timp. „Asta cu siguranță a stârnit mult interes”, a spus Marcos Santander, un colaborator IceCube la Universitatea din Alabama.

S-au strâns din ce în ce mai mulți neutrini cosmici și un alt petic de cer a început să iasă în evidență pe fundalul neutrinilor atmosferici. În mijlocul acestui patch se află galaxia activă din apropiere NGC 1068. Analiza recentă a IceCube arată că această corelație este aproape sigur egală cu cauzalitatea. Ca parte a analizei, oamenii de știință IceCube și-au recalibrat telescopul și au folosit inteligența artificială pentru a înțelege mai bine sensibilitatea acesteia la diferite zone de cer. Ei au descoperit că există o șansă mai mică de 1 din 100,000 ca abundența de neutrini care vin din direcția NGC 1068 să fie o fluctuație aleatorie.

Certitudinea statistică că TXS este o sursă cosmică de neutrini nu este cu mult în urmă, iar în septembrie, IceCube a înregistrat un neutrin probabil din vecinătatea TXS care nu a fost încă analizat.

„Am fost parțial orbi; este ca și cum ne-am îndreptat atenția asupra”, a spus Halzen. „Cursa a fost între exploziile de raze gamma și galaxiile active. Cursa a fost decisă.”

Mecanismul fizic

Aceste două AGN-uri par a fi cele mai strălucitoare surse de neutrini de pe cer, dar, în mod surprinzător, sunt foarte diferite. TXS este un tip de AGN cunoscut sub numele de blazar: trage un jet de radiații de înaltă energie direct către Pământ. Cu toate acestea, nu vedem un astfel de jet care să ne îndrepte spre NGC 1068. Acest lucru sugerează că diferite mecanisme din inima galaxiilor active ar putea da naștere la neutrini cosmici. „Sursele par să fie mai diverse”, a spus Julia Tjus, astrofizician teoretic la Universitatea Ruhr Bochum din Germania și membru al IceCube.

Halzen suspectează că există un material în jurul nucleului activ din NGC 1068 care blochează emisia de raze gamma pe măsură ce sunt produși neutrini. Dar mecanismul precis este ghicitul oricui. „Știm foarte puține despre nucleele galaxiilor active, deoarece sunt prea complicate”, a spus el.

Neutrinii cosmici care provin din Calea Lactee încurcă mai mult lucrurile. Nu există surse evidente de astfel de particule de înaltă energie în galaxia noastră - în special, niciun nucleu galactic activ. Miezul galaxiei noastre nu a fost plin de forță de milioane de ani.

Halzen speculează că acești neutrini provin din razele cosmice produse într-o fază activă anterioară a galaxiei noastre. „Uităm întotdeauna că ne uităm la un moment dat”, a spus el. „Acceleratorii care au produs aceste raze cosmice ar putea să le fi făcut cu milioane de ani în urmă.”

Ceea ce iese în evidență în noua imagine a cerului este luminozitatea intensă a surselor precum NGC 1068 și TXS. Calea Lactee, plină de stele din apropiere și gaz fierbinte, eclipsează toate celelalte galaxii atunci când astronomii privesc cu fotoni. Dar când este văzut în neutrini, „lucru uimitor este că abia ne putem vedea galaxia”, a spus Halzen. „Cerul este dominat de surse extragalactice.”

Lăsând deoparte misterul Căii Lactee, astrofizicienii vor să folosească sursele mai îndepărtate și mai strălucitoare pentru a studia materia întunecată, gravitația cuantică și noile teorii ale comportamentului neutrinilor.

Sondarea fizicii fundamentale

Neutrinii oferă indicii rare că o teorie mai completă a particulelor trebuie să înlocuiască setul de ecuații vechi de 50 de ani, cunoscut sub numele de Modelul Standard. Acest model descrie particulele și forțele elementare cu o precizie aproape perfectă, dar greșește când vine vorba de neutrini: prezice că particulele neutre sunt fără masă, dar nu sunt - nu chiar.

Fizicienii au descoperit în 1998 că neutrinii pot schimba forma între cele trei tipuri diferite; un neutrin de electroni emis de soare se poate transforma într-un neutrin muon în momentul în care ajunge pe Pământ, de exemplu. Și pentru a se schimba de formă, neutrinii trebuie să aibă masă - oscilațiile au sens doar dacă fiecare specie de neutrini este un amestec cuantic de trei mase diferite (toate foarte mici).

Zeci de experimente le-au permis fizicienilor de particule să construiască treptat o imagine a modelelor de oscilație ale diferiților neutrini - solare, atmosferice, realizate în laborator. Dar neutrinii cosmici proveniți din AGN oferă o privire asupra comportamentului oscilator al particulelor pe distanțe și energii mult mai mari. Acest lucru le face „o sondă foarte sensibilă la fizică care depășește modelul standard”, a spus Carlos Argüelles-Delgado, un fizician în neutrini la Universitatea Harvard care face, de asemenea, parte din extinsa colaborare IceCube.

Sursele cosmice de neutrini sunt atât de îndepărtate încât oscilațiile de neutrini ar trebui să fie estompate - oriunde privesc astrofizicienii, se așteaptă să vadă o fracțiune constantă din fiecare dintre cele trei tipuri de neutrini. Orice fluctuație a acestor fracții ar indica faptul că modelele de oscilație a neutrinilor trebuie regândite.

O altă posibilitate este că neutrinii cosmici interacționează cu materia întunecată în timp ce călătoresc, așa cum au prezis mulți modele din sectorul întunecat. Aceste modele propun că materia invizibilă a universului constă din mai multe tipuri de particule neluminoase. Interacțiunile cu aceste particule de materie întunecată ar împrăștia neutrini cu energii specifice și crea un gol în spectrul de neutrini cosmici pe care îi vedem.

Sau însăși structura cuantică a spațiului-timp poate trage pe neutrini, încetinindu-i. Un grup cu sediul recent în Italia argumentat în Natura Astronomie că datele IceCube arată indicii despre acest lucru, dar alți fizicieni au fost sceptici dintre aceste pretenții.

Efecte ca acestea ar fi mici, dar distanțele intergalactice le-ar putea mări la niveluri detectabile. „Acesta este cu siguranță ceva care merită explorat”, a spus Scholberg.

Deja, Argüelles-Delgado și colaboratorii au folosit fundalul difuz al neutrinilor cosmici – mai degrabă decât surse specifice precum NGC 1068 – pentru a căuta dovezi ale structurii cuantice a spațiu-timpului. Ca ei raportat în Fizica naturii în octombrie, nu au găsit nimic, dar căutarea lor a fost îngreunată de dificultatea de a distinge a treia varietate de neutrini — tau — de un neutrin de electroni în detectorul IceCube. Ceea ce este necesar este „o mai bună identificare a particulelor”, a spus coautorul Teppei Katori de King's College din Londra. Cercetările sunt în curs de desfășurare pentru descurcă cele două tipuri.

Katori spune că cunoașterea locațiilor și mecanismelor specifice ale surselor de neutrini cosmici ar oferi un „salt mare” în sensibilitatea acestor căutări pentru o nouă fizică. Fracția exactă a fiecărui tip de neutrini depinde de modelul sursă, iar cele mai populare modele, întâmplător, prevăd că un număr egal din cele trei specii de neutrini vor ajunge pe Pământ. Dar neutrinii cosmici sunt încă atât de prost înțeleși încât orice dezechilibru observat în fracțiunile celor trei tipuri ar putea fi interpretat greșit. Rezultatul ar putea fi o consecință a gravitației cuantice, a materiei întunecate sau a unui model de oscilație a neutrinului rupt - sau doar fizica încă neclară a producției de neutrini cosmici. (Cu toate acestea, unele rapoarte ar fi o semnătură „pistol fumegan” a noii fizici, a spus Argüelles-Delgado.)

În cele din urmă, trebuie să detectăm mai mulți neutrini cosmici, a spus Katori. Și se pare că o vom face. IceCube este modernizat și extins la 10 kilometri cubi în următorii câțiva ani, iar în octombrie, un detector de neutrini sub Lacul Baikal din Siberia a postat prima observație a neutrinilor cosmici din TXS.

Și în adâncul Mediteranei, zeci de șiruri de detectoare de neutrini au sunat colectiv KM3NeT sunt fixate pe fundul mării de un robot submersibil pentru a oferi o vedere complementară a cerului cosmic-neutrini. „Presiunile sunt enorme; marea este foarte neiertătoare”, a spus Paschal Coyle, director de cercetare la Centrul de Fizică a Particulelor din Marsilia și purtătorul de cuvânt al experimentului. Dar „avem nevoie de mai multe telescoape care examinează cerul și de mai multe observații comune, care urmează acum”.