Nov zemljevid vesolja, pobarvan s kozmičnimi nevtrini | Revija Quanta

Od 100 bilijonov nevtrinov, ki gredo skozi vas vsako sekundo, večina prihaja iz sonca ali Zemljine atmosfere. Toda drobec delcev – tisti, ki se premikajo veliko hitreje od ostalih – je pripotoval sem iz močnih virov, ki so bolj oddaljeni. Desetletja astrofiziki iščejo izvor teh "kozmičnih" nevtrinov. Zdaj jih je observatorij za nevtrine IceCube končno zbral dovolj, da razkrije kontrolne vzorce, od kod prihajajo.

V dokument, objavljen danes v Znanost, je ekipa razkrila prvi zemljevid Mlečne ceste v nevtrinih. (Običajno je naša galaksija preslikana s fotoni, delci svetlobe.) Novi zemljevid prikazuje razpršeno meglico kozmičnih nevtrinov, ki izhajajo iz celotne Rimske ceste, vendar nenavadno noben posamezen vir ne izstopa. "To je skrivnost," je rekel Frančišek Halzen, ki vodi IceCube.

Rezultati sledijo an Študija IceCube iz lanske jeseni, tudi v Znanost, ki je prvi povezal kozmične nevtrine s posameznim virom. Pokazalo je, da velik kos kozmičnih nevtrinov, ki jih je do zdaj zaznal observatorij, prihaja iz srca »aktivne« galaksije, imenovane NGC 1068. V žarečem jedru galaksije se snov spiralno vrti v osrednjo supermasivno črno luknjo, pri čemer nekako nastanejo kozmični nevtrini. v postopku.

"To je res razveseljivo," je rekel Kate Scholberg, fizik za nevtrine na univerzi Duke, ki ni bil vključen v raziskavo. »Pravzaprav so identificirali galaksijo. To je stvar, ki jo celotna nevtrinska astronomska skupnost poskuša narediti že od nekdaj.«

Določitev virov kozmičnih nevtrinov odpira možnost uporabe delcev kot nove sonde temeljne fizike. Raziskovalci so pokazali, da je mogoče nevtrine uporabiti za odpiranje razpok v vladajočem standardnem modelu fizike delcev in celo za testiranje kvantnih opisov gravitacije.

Vendar je ugotavljanje izvora vsaj nekaterih kozmičnih nevtrinov le prvi korak. Malo je znanega o tem, kako dejavnost okoli nekaterih supermasivnih črnih lukenj ustvarja te delce, in doslej dokazi kažejo na več procesov ali okoliščin.

Dolgo iskano poreklo

Nevtrini, kot jih je v izobilju, navadno potujejo po Zemlji, ne da bi zapustili sled; bilo je treba zgraditi veličastno ogromen detektor, da bi jih zaznali dovolj, da bi zaznali vzorce v smereh, iz katerih prihajajo. IceCube, zgrajen pred 12 leti, je sestavljen iz kilometrskih nizov detektorjev, ki so vdrti globoko v antarktični led. IceCube vsako leto zazna približno ducat kozmičnih nevtrinov s tako visoko energijo, da jasno izstopajo pred meglico atmosferskih in sončnih nevtrinov. Bolj sofisticirane analize lahko iz preostalih podatkov izločijo dodatne kandidate za kozmične nevtrine.

Astrofiziki vedo, da lahko taki energični nevtrini nastanejo le, ko hitro premikajoča se atomska jedra, znana kot kozmični žarki, trčijo z materialom nekje v vesolju. In zelo malo mest v vesolju ima dovolj močna magnetna polja, da bi kozmične žarke dvignila do zadostne energije. Izbruhi sevanja gama, ultrasvetli bliski svetlobe, ki se pojavijo, ko nekatere zvezde postanejo supernove ali ko nevtronske zvezde spiralno prehajajo druga v drugo, so dolgo veljali za eno najbolj verjetnih možnosti. Edina prava alternativa so bila aktivna galaktična jedra ali AGN - galaksije, katerih osrednje supermasivne črne luknje bruhajo delce in sevanje, ko snov pade noter.

Teorija o izbruhu žarkov gama je izgubila tla pod tlemi leta 2012, ko so astrofiziki spoznali, da če so ti svetli izbruhi odgovorni, pričakujemo, da bomo videli veliko več kozmičnih nevtrinov kot mi. Kljub temu spor še zdaleč ni bil rešen.

Nato je leta 2016 IceCube začel pošiljati opozorila vsakič, ko so zaznali kozmični nevtrino, kar je druge astronome spodbudilo, da so teleskope usmerili v smeri, iz katere prihaja. Naslednjega septembra so okvirno uskladil kozmični nevtrino z aktivno galaksijo, imenovano TXS 0506+056 ali na kratko TXS, ki je hkrati oddajala rentgenske in gama žarke. "To je vsekakor vzbudilo veliko zanimanja," je dejal Marcos Santander, sodelavec IceCube na Univerzi v Alabami.

Zbranih je bilo vedno več kozmičnih nevtrinov in še en kos neba je začel izstopati na ozadju atmosferskih nevtrinov. Na sredini tega zaplata je bližnja aktivna galaksija NGC 1068. IceCubeova nedavna analiza kaže, da je ta korelacija skoraj zagotovo enaka vzročni zvezi. Kot del analize so znanstveniki IceCube ponovno umerili svoj teleskop in uporabili umetno inteligenco, da bi bolje razumeli njegovo občutljivost na različne zaplate neba. Ugotovili so, da obstaja manj kot 1 proti 100,000 možnosti, da je številčnost nevtrinov, ki prihajajo iz smeri NGC 1068, naključno nihanje.

Statistična gotovost, da je TXS vir kozmičnega nevtrina, ni daleč in septembra je IceCube zabeležil nevtrino, verjetno iz bližine TXS, ki še ni bil analiziran.

»Bili smo delno slepi; kot da smo se osredotočili na,« je dejal Halzen. »Tekma je potekala med izbruhi sevanja gama in aktivnimi galaksijami. Ta dirka je odločena.”

Fizični mehanizem

Zdi se, da sta ta dva AGN najsvetlejša vira nevtrinov na nebu, vendar sta si, presenetljivo, zelo različna. TXS je vrsta AGN, znana kot blazar: izstreli curek visokoenergetskega sevanja neposredno proti Zemlji. Vendar ne vidimo nobenega takega curka, ki bi kazal našo pot iz NGC 1068. To nakazuje, da bi lahko različni mehanizmi v srcu aktivnih galaksij povzročili kozmične nevtrine. "Viri se zdijo bolj raznoliki," je dejal Julija Tjus, teoretični astrofizik na Ruhr University Bochum v Nemčiji in član IceCube.

Halzen sumi, da aktivno jedro v NGC 1068 obdaja nekaj materiala, ki blokira emisijo žarkov gama, ko nastajajo nevtrini. Toda o natančnem mehanizmu lahko kdo ugiba. "O jedrih aktivnih galaksij vemo zelo malo, ker so preveč zapletena," je dejal.

Kozmični nevtrini, ki izvirajo iz Mlečne ceste, stvari še dodatno zmedejo. V naši galaksiji ni očitnih virov tako visokoenergijskih delcev - zlasti ni aktivnega galaktičnega jedra. Jedro naše galaksije že milijone let ni živahno.

Halzen špekulira, da ti nevtrini izvirajo iz kozmičnih žarkov, proizvedenih v prejšnji, aktivni fazi naše galaksije. "Vedno pozabimo, da gledamo na en trenutek v času," je dejal. "Pospeševalniki, ki so ustvarili te kozmične žarke, so jih morda ustvarili pred milijoni let."

Kar izstopa na novi sliki neba, je intenzivna svetlost virov, kot sta NGC 1068 in TXS. Mlečna cesta, polna bližnjih zvezd in vročega plina, zasenči vse druge galaksije, ko astronomi pogledajo s fotoni. Ko pa ga gledamo v nevtrinih, "neverjetno je, da komaj vidimo našo galaksijo," je dejal Halzen. "Na nebu prevladujejo zunajgalaktični viri."

Če pustimo ob strani skrivnost Mlečne ceste, hočejo astrofiziki uporabiti dlje, svetlejše vire za preučevanje temne snovi, kvantne gravitacije in novih teorij o obnašanju nevtrinov.

Preizkušanje temeljne fizike

Nevtrini ponujajo redke namige, da mora popolnejša teorija delcev nadomestiti 50 let star niz enačb, znan kot standardni model. Ta model opisuje osnovne delce in sile s skoraj popolno natančnostjo, vendar se moti, ko gre za nevtrine: predvideva, da so nevtralni delci brez mase, vendar niso – ne povsem.

Fiziki so leta 1998 odkrili, da lahko nevtrini spreminjajo obliko med svojimi tremi različnimi vrstami; elektronski nevtrino, ki ga oddaja sonce, se lahko spremeni v mionski nevtrino, ko na primer doseže Zemljo. In da bi lahko spremenili obliko, morajo nevtrini imeti maso - nihanja so smiselna le, če je vsaka vrsta nevtrinov kvantna mešanica treh različnih (vseh zelo majhnih) mas.

Na desetine eksperimentov je fizikom delcev omogočilo, da so postopoma ustvarili sliko vzorcev nihanja različnih nevtrinov – sončnih, atmosferskih, laboratorijsko izdelanih. Toda kozmični nevtrini, ki izvirajo iz AGN-jev, ponujajo pogled na nihajno obnašanje delcev na veliko večjih razdaljah in energijah. Zaradi tega so "zelo občutljiva sonda za fiziko, ki presega standardni model", je dejal Carlos Argüelles-Delgado, fizik za nevtrine na univerzi Harvard, ki je tudi del obsežnega sodelovanja IceCube.

Viri kozmičnih nevtrinov so tako daleč, da bi morale biti oscilacije nevtrinov zamegljene - kamorkoli astrofiziki pogledajo, pričakujejo, da bodo videli konstanten del vsake od treh vrst nevtrinov. Kakršno koli nihanje teh frakcij bi pomenilo, da je treba modele nevtrinskega nihanja ponovno premisliti.

Druga možnost je, da kozmični nevtrini med potovanjem medsebojno delujejo s temno snovjo, kot napovedujejo mnogi modeli temnega sektorja. Ti modeli predlagajo, da je nevidna snov vesolja sestavljena iz več vrst nesvetlečih delcev. Interakcije s temi delci temne snovi bi razpršile nevtrine s specifičnimi energijami in ustvariti vrzel v spektru kozmičnih nevtrinov, ki jih vidimo.

Ali pa lahko sama kvantna struktura prostora-časa vleče nevtrine in jih upočasni. Skupina s sedežem v Italiji pred kratkim trdil v Narava astronomija da podatki IceCube kažejo namige o tem, vendar drugi fiziki so bili skeptični teh zahtevkov.

Učinki, kot so ti, bi bili zelo majhni, vendar bi jih lahko medgalaktične razdalje povečale do zaznavnih ravni. "To je vsekakor nekaj, kar je vredno raziskati," je dejal Scholberg.

Že, Argüelles-Delgado in sodelavci so uporabili razpršeno ozadje kozmičnih nevtrinov - namesto posebnih virov, kot je NGC 1068 - za iskanje dokazov o kvantni strukturi prostora-časa. Kot oni poročali v Naravna fizika oktobra niso našli ničesar, vendar je njihovo iskanje oteževala težava pri razlikovanju tretje različice nevtrina - tau - od elektronskega nevtrina v detektorju IceCube. Kar je potrebno, je "boljša identifikacija delcev," je dejal soavtor Teppei Katori King's College London. Potekajo raziskave za ločiti dve vrsti.

Katori pravi, da bi poznavanje določenih lokacij in mehanizmov virov kozmičnih nevtrinov pomenilo "velik skok" v občutljivosti teh iskanj nove fizike. Natančen delež vsake vrste nevtrinov je odvisen od modela izvora in najbolj priljubljeni modeli po naključju napovedujejo, da bo na Zemljo prispelo enako število treh vrst nevtrinov. Toda kozmični nevtrini so še vedno tako slabo razumljeni, da bi lahko vsako opaženo neravnovesje v frakcijah treh vrst napačno razlagali. Rezultat je lahko posledica kvantne gravitacije, temne snovi ali pokvarjenega modela nevtrinskih oscilacij - ali samo še vedno zamegljene fizike proizvodnje kozmičnih nevtrinov. (Vendar pa bi bila nekatera razmerja "puščica" podpis nove fizike, je dejal Argüelles-Delgado.)

Navsezadnje moramo odkriti veliko več kozmičnih nevtrinov, je dejal Katori. In zdi se, da bomo. IceCube bodo v naslednjih letih nadgradili in razširili na 10 kubičnih kilometrov, oktobra pa še detektor nevtrinov pod Bajkalskim jezerom v Sibiriji. objavil svoje prvo opazovanje kozmičnih nevtrinov iz TXS.

In globoko v Sredozemlju na desetine nizov detektorjev nevtrinov skupaj imenovanih KM3NeT jih na morsko dno pritrjuje robotska podvodnica, ki ponuja dopolnilni pogled na nebo kozmičnega nevtrina. »Pritiski so ogromni; morje je zelo neprizanesljivo,« je povedal Paschal Coyle, direktor raziskav v centru za fiziko delcev v Marseillu in tiskovni predstavnik eksperimenta. Toda "potrebujemo več teleskopov, ki natančno pregledujejo nebo, in več skupnih opazovanj, kar prihaja zdaj."