Kozmik Nötrinolarla Boyalı Yeni Bir Evren Haritası | Quanta Dergisi

Her saniye sizden geçen 100 trilyon nötrinonun çoğu güneşten veya Dünya'nın atmosferinden gelir. Ancak parçacıkların küçük bir kısmı - diğerlerinden çok daha hızlı hareket edenler - buraya çok uzaktaki güçlü kaynaklardan geldi. Onlarca yıldır astrofizikçiler bu "kozmik" nötrinoların kökenini aradılar. Şimdi, IceCube Nötrino Gözlemevi nihayet geldikleri yerdeki belirgin kalıpları ortaya çıkarmaya yetecek kadarını topladı.

İçinde bugün yayınlanan gazete Bilim, ekip Samanyolu'nun ilk haritasını nötrinolarda ortaya çıkardı. (Genellikle galaksimiz fotonlar, ışık parçacıkları ile haritalanır.) Yeni harita, Samanyolu boyunca yayılan dağınık bir kozmik nötrino pusunu gösteriyor, ancak garip bir şekilde, hiçbir kaynak göze çarpmıyor. "Bu bir sır" dedi Francis Halzen, IceCube'ü yöneten kişi.

Sonuçlar bir Geçen sonbahardan IceCube çalışması, Ayrıca Bilimkozmik nötrinoları tek bir kaynağa bağlayan ilk kişi oydu. Şimdiye kadar gözlemevi tarafından tespit edilen kozmik nötrinoların büyük bir kısmının NGC 1068 adlı "aktif" bir galaksinin kalbinden geldiğini gösterdi. Galaksinin parlayan çekirdeğinde, madde bir şekilde kozmik nötrinolar oluşturan merkezi bir süper kütleli kara deliğe dönüşüyor. süreç içerisinde.

"Gerçekten sevindirici" dedi Kate Scholberg, Duke Üniversitesi'nde araştırmaya dahil olmayan bir nötrino fizikçisi. “Aslında bir galaksi belirlediler. Bu, tüm nötrino astronomi topluluğunun sonsuza dek yapmaya çalıştığı türden bir şey.”

Kozmik nötrino kaynaklarının yerini belirlemek, parçacıkları temel fiziğin yeni bir araştırması olarak kullanma olasılığını açar. Araştırmacılar, nötrinoların parçacık fiziğinin hüküm süren Standart Modelinde çatlaklar açmak ve hatta yerçekiminin kuantum tanımlarını test etmek için kullanılabileceğini gösterdiler.

Yine de en azından bazı kozmik nötrinoların kökenini belirlemek yalnızca bir ilk adımdır. Bazı süper kütleli kara deliklerin etrafındaki aktivitenin bu parçacıkları nasıl ürettiği hakkında çok az şey biliniyor ve şimdiye kadar elde edilen kanıtlar birden fazla sürece veya duruma işaret ediyor.

Uzun Aranan Köken

Nötrinolar ne kadar bol olsalar da, genellikle Dünya'da iz bırakmadan hızla geçerler; geldikleri yönlerdeki kalıpları algılamaya yetecek kadarını tespit etmek için muhteşem derecede büyük bir dedektör inşa edilmek zorundaydı. 12 yıl önce inşa edilen IceCube, Antarktika buzunun derinliklerine açılan kilometrelerce uzunluğundaki dedektör dizilerinden oluşuyor. Her yıl, IceCube bir düzine kadar kozmik nötrinoyu o kadar yüksek enerjiyle tespit ediyor ki, atmosferik ve güneş nötrinolarından oluşan bir pus karşısında açıkça duruyorlar. Daha sofistike analizler, verilerin geri kalanından ek aday kozmik nötrinoları ortaya çıkarabilir.

Astrofizikçiler, bu tür enerjik nötrinoların ancak kozmik ışınlar olarak bilinen hızlı hareket eden atom çekirdeklerinin uzayda herhangi bir yerde bir malzeme ile çarpıştığında ortaya çıkabileceğini biliyorlar. Ve evrendeki çok az yer, kozmik ışınları yeterli enerjiye çıkaracak kadar güçlü manyetik alanlara sahiptir. Gama ışını patlamaları, bazı yıldızlar süpernovaya dönüştüğünde veya nötron yıldızları sarmal olarak birbirine girdiğinde meydana gelen ultra parlak ışık parlamaları, uzun süre en makul seçeneklerden biri olarak düşünüldü. Tek gerçek alternatif, aktif galaktik çekirdekler veya merkezi süper kütleli kara delikleri madde düştükçe parçacıklar ve radyasyon yayan AGN'ler olan galaksilerdi.

Gama ışını patlaması teorisi, 2012'de astrofizikçiler bu parlak patlamaların sorumlu olduğunu fark ettiklerinde zeminini kaybetti. çok daha fazla kozmik nötrino bizden daha Yine de, anlaşmazlık çözülmekten çok uzaktı.

Ardından, 2016'da IceCube, kozmik bir nötrino tespit ettikleri her seferinde uyarılar göndermeye başladı ve diğer astronomları teleskoplarını geldiği yönde eğitmeye teşvik etti. Ertesi Eylül, geçici olarak TXS adlı aktif bir galaksi ile kozmik bir nötrinoyu eşleştirdi 0506+056 veya kısaca TXS, aynı anda X-ışınları ve gama ışınları yayan. "Bu kesinlikle çok fazla ilgi uyandırdı" dedi Marcos Santander, Alabama Üniversitesi'nde bir IceCube işbirlikçisi.

Giderek daha fazla kozmik nötrino toplandı ve atmosferik nötrinoların arka planında başka bir gökyüzü parçası öne çıkmaya başladı. Bu yamanın ortasında, yakınlardaki aktif gökada NGC 1068 yer alır. IceCube'ün yakın tarihli analizi, bu korelasyonun neredeyse kesinlikle nedenselliğe eşit olduğunu gösteriyor. Analizin bir parçası olarak, IceCube bilim adamları teleskoplarını yeniden kalibre ettiler ve gökyüzünün farklı bölgelerine olan hassasiyetini daha iyi anlamak için yapay zekayı kullandılar. NGC 1 yönünden gelen nötrino bolluğunun rastgele bir dalgalanma olma ihtimalinin 100,000'de 1068'den daha az olduğunu buldular.

TXS'nin kozmik bir nötrino kaynağı olduğuna dair istatistiksel kesinlik çok geride değil ve Eylül ayında IceCube, muhtemelen TXS civarından henüz analiz edilmemiş bir nötrino kaydetti.

“Kısmen kördük; Odak noktamızı çevirmişiz gibi,” dedi Halzen. "Yarış, gama ışını patlamaları ile aktif galaksiler arasındaydı. Bu yarışa karar verildi.”

Fiziksel Mekanizma

Bu iki AGN, gökyüzündeki en parlak nötrino kaynakları gibi görünüyor, ancak şaşırtıcı bir şekilde çok farklılar. TXS, blazar olarak bilinen bir AGN türüdür: Doğrudan Dünya'ya doğru yüksek enerjili bir radyasyon jeti fırlatır. Yine de NGC 1068'den bize doğrultulmuş böyle bir jet görmüyoruz. Bu, aktif galaksilerin kalbindeki farklı mekanizmaların kozmik nötrinolara yol açabileceğini gösteriyor. "Kaynaklar daha çeşitli görünüyor" dedi Julia TjusAlmanya'daki Ruhr Üniversitesi Bochum'da teorik astrofizikçi ve IceCube üyesi.

Halzen, NGC 1068'deki aktif çekirdeği çevreleyen ve nötrinolar üretilirken gama ışınlarının yayılmasını engelleyen bazı maddeler olduğundan şüpheleniyor. Ancak kesin mekanizma kimsenin tahmin edemeyeceği bir şeydir. "Aktif galaksilerin çekirdekleri hakkında çok az şey biliyoruz çünkü çok karmaşıklar" dedi.

Samanyolu'ndan kaynaklanan kozmik nötrinolar işleri daha da karıştırıyor. Galaksimizde bu tür yüksek enerjili parçacıkların bariz kaynakları yoktur - özellikle aktif galaktik çekirdek yoktur. Galaksimizin çekirdeği milyonlarca yıldır hareketli değil.

Halzen, bu nötrinoların galaksimizin daha erken, aktif bir aşamasında üretilen kozmik ışınlardan geldiğini tahmin ediyor. “Zaman içinde bir ana baktığımızı hep unutuyoruz” dedi. "Bu kozmik ışınları yapan hızlandırıcılar, onları milyonlarca yıl önce yapmış olabilir."

Gökyüzünün yeni görüntüsünde öne çıkan, NGC 1068 ve TXS gibi kaynakların yoğun parlaklığı. Yakındaki yıldızlar ve sıcak gazla dolu Samanyolu, gökbilimciler fotonlarla baktıklarında diğer tüm galaksileri gölgede bırakıyor. Ancak nötrinolarda bakıldığında, "şaşırtıcı olan şey, galaksimizi zar zor görebiliyor olmamız" dedi Halzen. "Gökyüzüne galaksi dışı kaynaklar hakimdir."

Samanyolu gizemini bir kenara bırakan astrofizikçiler, karanlık madde, kuantum yerçekimi ve yeni nötrino davranışı teorilerini incelemek için daha uzak, daha parlak kaynakları kullanmak istiyor.

Temel Fiziği Araştırmak

Nötrinolar, daha eksiksiz bir parçacık teorisinin, Standart Model olarak bilinen 50 yıllık denklem setinin yerini alması gerektiğine dair nadir ipuçları sunuyor. Bu model, temel parçacıkları ve kuvvetleri neredeyse mükemmel bir hassasiyetle tanımlar, ancak nötrinolar söz konusu olduğunda yanılıyor: Nötr parçacıkların kütlesiz olduğunu tahmin ediyor, ancak değiller - tam olarak değiller.

Fizikçiler 1998'de nötrinoların üç farklı türü arasında şekil değiştirebildiklerini keşfettiler; örneğin güneş tarafından yayılan bir elektron nötrino, Dünya'ya ulaştığında bir müon nötrinoya dönüşebilir. Ve nötrinoların şekil değiştirmesi için kütleye sahip olması gerekir - salınımlar yalnızca her bir nötrino türü üç farklı (tümü çok küçük) kütlenin kuantum karışımıysa anlamlıdır.

Düzinelerce deney, parçacık fizikçilerinin kademeli olarak çeşitli nötrinoların (güneş, atmosferik, laboratuvar yapımı) salınım modellerinin bir resmini oluşturmasına izin verdi. Ancak AGN'lerden kaynaklanan kozmik nötrinolar, parçacıkların çok daha büyük mesafeler ve enerjiler boyunca salınım davranışlarına bir bakış sunuyor. Bu, onları “Standart Modelin ötesinde, fiziğe karşı çok hassas bir araştırma” yapıyor. Carlos Argüelles-Delgado, aynı zamanda genişleyen IceCube işbirliğinin bir parçası olan Harvard Üniversitesi'nde bir nötrino fizikçisi.

Kozmik nötrino kaynakları o kadar uzaktadır ki, nötrino salınımları bulanıklaşmalıdır - astrofizikçiler nereye bakarlarsa baksınlar, üç nötrino tipinin her birinin sabit bir kısmını görmeyi beklerler. Bu fraksiyonlardaki herhangi bir dalgalanma, nötrino salınım modellerinin yeniden düşünülmesi gerektiğini gösterir.

Başka bir olasılık da, birçok kişinin tahmin ettiği gibi, kozmik nötrinoların seyahat ederken karanlık maddeyle etkileşime girmesidir. karanlık sektör modelleri. Bu modeller, evrenin görünmez maddesinin çok sayıda ışıksız parçacık türünden oluştuğunu ileri sürer. Bu karanlık madde parçacıklarıyla etkileşimler, belirli enerjilere sahip nötrinoları saçar ve boşluk yaratmak gördüğümüz kozmik nötrinoların spektrumunda.

Ya da uzay-zamanın kuantum yapısının kendisi nötrinoları sürükleyerek onları yavaşlatabilir. Yakın zamanda İtalya merkezli bir grup tartıştı Doğa Astronomisi IceCube verileri bunun olduğuna dair ipuçları gösteriyor, ancak diğer fizikçiler şüpheci oldu bu iddiaların

Bunun gibi etkiler çok küçük olabilir, ancak galaksiler arası mesafeler onları algılanabilir seviyelere büyütebilir. Scholberg, "Bu kesinlikle keşfetmeye değer bir şey" dedi.

Zaten, Argüelles-Delgado ve işbirlikçileri, uzay-zamanın kuantum yapısının kanıtlarını aramak için NGC 1068 gibi belirli kaynaklar yerine kozmik nötrinoların dağınık arka planını kullandılar. Onlar gibi bildirildi Doğa Fiziği Ekim ayında hiçbir şey bulamadılar, ancak üçüncü nötrino türü olan tau'yu IceCube detektöründeki bir elektron nötrinodan ayırmanın zorluğu araştırmalarını güçleştirdi. Ortak yazar, ihtiyaç duyulanın "daha iyi parçacık tanımlaması" olduğunu söyledi Teppei Katori King's College London'dan. için araştırma yapılıyor iki türü ayırmak.

Katori, kozmik nötrino kaynaklarının belirli konumlarını ve mekanizmalarını bilmenin, bu yeni fizik arayışlarının hassasiyetinde "büyük bir sıçrama" sunacağını söylüyor. Her bir nötrino türünün kesin oranı, kaynak modele bağlıdır ve en popüler modeller, tesadüfen, üç nötrino türünün eşit sayıda Dünya'ya geleceğini tahmin eder. Ancak kozmik nötrinolar hala o kadar az anlaşılmıştır ki, üç türün fraksiyonlarında gözlenen herhangi bir dengesizlik yanlış yorumlanabilir. Sonuç, kuantum yerçekiminin, karanlık maddenin veya bozuk bir nötrino salınım modelinin veya kozmik nötrino üretiminin hala bulanık olan fiziğinin bir sonucu olabilir. (Bununla birlikte, Argüelles, bazı oranların yeni fiziğin "tüten bir silah" imzası olacağını söyledi.-Delgado.)

Katori, nihayetinde, daha fazla kozmik nötrino tespit etmemiz gerektiğini söyledi. Ve yapacağız gibi görünüyor. IceCube yükseltiliyor ve önümüzdeki birkaç yıl içinde 10 kilometreküpe genişletiliyor ve Ekim ayında Sibirya'daki Baykal Gölü'nün altında bir nötrino detektörü kuruldu. ilk gözlemini yayınladı TXS'den gelen kozmik nötrinoların.

Ve Akdeniz'in derinliklerinde, toplu olarak adlandırılan düzinelerce nötrino detektör dizisi KM3Net kozmik-nötrino gökyüzünün tamamlayıcı bir görüntüsünü sunmak için dalgıç bir robot tarafından deniz tabanına sabitleniyor. “Baskılar çok büyük; Marsilya Parçacık Fiziği Merkezi'nde araştırma direktörü ve deneyin sözcüsü Paschal Coyle, "deniz çok acımasız" dedi. Ancak "gökyüzünü inceleyen daha fazla teleskopa ve şimdi gelecek olan daha fazla ortak gözleme ihtiyacımız var."