Wysoce energetyczne i trudne do wykrycia neutrina pokonują miliardy lat świetlnych, zanim dotrą do naszej planety. Chociaż wiadomo, że te cząstki elementarne pochodzą z głębi naszego Wszechświata, ich dokładne pochodzenie jest nadal nieznane. Międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez Uniwersytet w Würzburgu i Uniwersytet Genewski (UNIGE), rzuca światło na jeden z aspektów tej tajemnicy: uważa się, że neutrina rodzą się w blazarach, jądrach galaktyk zasilanych przez supermasywne czarne dziury. Wyniki te opublikowano w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.
Ziemska atmosfera jest nieustannie bombardowana przez promienie kosmiczne. Składają się one z elektrycznie naładowanych cząstek o energiach sięgających 1020 elektronowoltów. To milion razy więcej niż energia osiągana w najpotężniejszym na świecie akceleratorze cząstek, Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą. Niezwykle energetyczne cząstki pochodzą z głębokiego kosmosu, przebyły miliardy lat świetlnych. Skąd pochodzą, co wystrzeliwuje je przez Wszechświat z tak ogromną siłą? Pytania te należą do największych wyzwań astrofizyki od ponad wieku.
Miejsca narodzin promieni kosmicznych produkują neutrina. Neutrina to neutralne cząstki trudne do wykrycia. Nie mają prawie żadnej masy i prawie nie oddziałują z materią. Ścigają się przez Wszechświat i mogą podróżować przez galaktyki, planety i ludzkie ciało niemal bez śladu. „Neutrina astrofizyczne powstają wyłącznie w procesach związanych z przyspieszaniem promieni kosmicznych – wyjaśnia profesor astrofizyki Sara Buson z Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg w Bawarii w Niemczech. To właśnie sprawia, że neutrina te są wyjątkowymi posłańcami torującymi drogę do wskazania źródeł promieni kosmicznych.
Krok naprzód w kontrowersyjnej debacie
Pomimo ogromnej ilości danych, jakie zgromadzili astrofizycy, powiązanie wysokoenergetycznych neutrin z pochodzącymi od nich źródłami astrofizycznymi od lat pozostaje nierozwiązanym problemem. Sara Buson zawsze uważała to za poważne wyzwanie. To właśnie w 2017 roku badaczka i współpracownicy po raz pierwszy wprowadzili do dyskusji blazara (TXS 0506+056) jako przypuszczalne źródło neutrin w czasopiśmie Science. Blazary to aktywne jądra galaktyk zasilane przez supermasywne czarne dziury, które emitują znacznie więcej promieniowania niż cała ich galaktyka. Publikacja wywołała naukową debatę na temat tego, czy rzeczywiście istnieje związek między blazarami a wysokoenergetycznymi neutrinami.
Po tym pierwszym zachęcającym kroku, w czerwcu 2021 roku grupa prof. Busona rozpoczęła ambitny projekt badawczy z wykorzystaniem wielu sygnałów przy wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. Polega on na analizie różnych sygnałów („posłańców”, np. neutrin) z Wszechświata. Głównym celem jest rzucenie światła na pochodzenie neutrin astrofizycznych, być może ustalenie z dużą pewnością, że blazary są pierwszym źródłem pozagalaktycznych neutrin o wysokiej energii.
Projekt wykazuje już pierwsze sukcesy: W czasopiśmie Astrophysical Journal Letters, Sara Buson wraz ze swoją grupą, byłym postdocem Raniere de Menezes (JMU) oraz z Andreą Tramacere z Uniwersytetu w Genewie, donosi, że blazary mogą być z bezprecedensową pewnością powiązane z astrofizycznymi neutrinami.
Ujawnienie roli blazarów
Andrea Tramacere jest jednym z ekspertów w modelowaniu numerycznym procesów akceleracji i mechanizmów promieniowania działających w relatywistycznych dżetach — wypływach przyspieszonej materii, zbliżających się do prędkości światła – w szczególności dżetach blazarów. „Proces akrecji i rotacja czarnej dziury prowadzą do powstania dżetów relatywistycznych, w których cząstki są przyspieszane i emitują promieniowanie o energiach sięgających tysiąca miliardów energii światła widzialnego! Odkrycie związku tych obiektów z promieniami kosmicznymi może być 'kamieniem z Rosetty’ astrofizyki wysokich energii!”
Aby dojść do tych wyników, zespół badawczy wykorzystał dane neutrinowe z Obserwatorium Neutrinowego IceCube na Antarktydzie — najczulszego obecnie działającego detektora neutrin — oraz BZCat, jednego z najdokładniejszych katalogów blazarów. „Mając te dane, musieliśmy udowodnić, że blazary, których pozycje kierunkowe pokrywały się z pozycjami neutrin, nie znalazły się tam przypadkowo”. Aby to zrobić, badacz UNIGE opracował oprogramowanie zdolne do oszacowania, jak bardzo rozkłady tych obiektów na niebie wyglądają tak samo. „Po kilkukrotnym przetoczeniu kostki odkryliśmy, że losowe skojarzenie może przekroczyć to z prawdziwych danych tylko raz na milion prób! To mocny dowód na to, że nasze skojarzenia są poprawne.”
