En konstnärs illustration av en blazar som den som nyligen har visat sig påskynda neutrinoer och kosmiska strålar till enorma hastigheter. Det supermassiva svarta hålet i mitten av ackretionsskivan skickar en smal högenergi med materialstråle ut i rymden, vinkelrätt mot skivan.
(Bild: © DESY, Science Communication Lab)
Astronomer har spårat en högenerginutrino till dess kosmiska källa för första gången någonsin och löser ett sekel-gammalt mysterium i processen.
Neutrino är nästan masslösa subatomära partiklar som inte har någon elektrisk laddning och interagerar därför sällan med omgivningen. I själva verket strömmar biljoner av dessa "spökpartiklar" genom din kropp obemärkt och obehindrad varje sekund.
De flesta av dessa neutrinoer kommer från solen. Men en liten procentandel, som har extremt höga energier, har rakat till skogens hals från mycket djup rymd. Neutrinos inneboende svårighet har förhindrat astronomer från att fästa ned ursprunget till sådana kosmiska vandrare - fram till nu. [Spåra en Neutrino till dess källa: Upptäckten i bilder]
Observationer från IceCube Neutrino Observatory vid Sydpolen och en mängd andra instrument gjorde det möjligt för forskare att spåra en kosmisk neutrino till en avlägsen blazar, en enorm elliptisk galax med ett snabbt snurrande supermassivt svart hål i hjärtat.
Och det finns mer. Kosmiska neutrinoer går hand i hand med kosmiska strålar, mycket energiska laddade partiklar som smälter kontinuerligt in på vår planet. Så de nya hittar tappar blazars som acceleratorer för åtminstone några av de snabbast rörliga kosmiska strålarna också.
Astronomer har undrat sig över detta sedan kosmiska strålar först upptäcktes, långt tillbaka 1912. Men de har blivit avskräckta av partiklarnas laddade natur, som dikterar att kosmiska strålar släpps på detta sätt och som av olika objekt när de zooma genom rymden. Framgången kom äntligen från att använda den raka linjen för en spökepartikel med andra resenärer.
"Vi har letat efter källorna till kosmiska strålar i mer än ett sekel och vi hittade äntligen en," berättade Francis Halzen, huvudforskare vid IceCube Neutrino Observatory och professor i fysik vid University of Wisconsin-Madison. com. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]
En laginsats
IceCube, som förvaltas av U.S. National Science Foundation (NSF), är en dedikerad neutrinojägare. Anläggningen består av 86 kablar, som ligger inbäddade i borrhål som sträcker sig cirka 2,5 mil till Antarktisisen. Varje kabel innehåller i sin tur 60 basketbaserade "digitala optiska moduler", som är utrustade med känsliga ljusdetektorer.
Dessa detektorer är utformade för att ta upp det karakteristiska blå ljuset som släpps ut efter att en neutrino interagerar med en atomkärna. (Detta ljus kastas av en sekundärpartikel som skapats av interaktionen. Och i fall du undrar: Allt det som ligger över is hindrar andra partiklar än neutrinoer från att nå detektorerna och smutsar upp data.) Det här är sällsynta händelser; IceCube upptäcker bara ett par hundra neutrinoer per år, sade Halzen.
Anläggningen har redan gett stora bidrag till astronomin. Under 2013 gjorde till exempel IceCube den första bekräftade detekteringen av neutrinoer bortom Vintergalaxen. Forskare kunde inte fastställa källan till dessa högenergiska spökepartiklar vid den tiden.
Den 22 september 2017 tog dock IceCube upp en annan kosmisk neutrino. Det var extremt energiskt och packade cirka 300 teraelektron volt - nästan 50 gånger större än energin från protonerna som cyklade genom jordens mest kraftfulla partikelaccelerator, den stora Hadron Collider.
Inom en minut efter upptäckten skickade anläggningen ut en automatisk anmälan, som varnade andra astronomer till fyndet och vidarebefordrade koordinater till himmelblåsen som tycktes hålla partikelns källa.
Samhället svarade: Nästan 20 teleskoper på marken och i rymden skurade den plåstret över det elektromagnetiska spektrumet, från lågenergi-radiovågor till högenergiska strålar. De kombinerade observationerna spårade neutrinoens ursprung till en redan känd blazar kallad TXS 0506 + 056, som ligger cirka 4 miljarder ljusår från Jorden.
Till exempel avslöjade uppföljningar från flera olika instrument - inklusive NASA: s järnomloppande Fermi Gamma-ray Space Telescope och Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) på Kanarieöarna - en kraftfull skur av gammastrålningsljus från TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: Photos by NASA's Fermi Space Telescope]
IceCube-teamet gick också igenom sina arkivdata och fann mer än ett dussin andra kosmiska neutrinoer som tycktes komma från samma blazar. Dessa ytterligare partiklar plockades upp av detektorerna från slutet av 2014 till början av 2015.
"Alla bitar passar ihop", sa Albrecht Karle, en senior IceCube-forskare och UW-Madison fysikprofessor, i ett uttalande. "Neutrino-flänsen i våra arkivdata blev en självständig bekräftelse. Tillsammans med observationer från de andra observatorierna är det tvingande bevis för att denna blazar är en källa till extremt energiska neutrinoer och därmed högenergiska kosmiska strålar."
Resultaten rapporteras i två nya studier publicerade online idag (12 juli) i tidskriften Science. Du kan hitta dem här och här.
Multimessengerastrofysik ökar
Blazars är en speciell typ av superluminös galax som spränger ut tvillingstrålar med ljus och partiklar, varav en riktas direkt mot jorden. (Det är delvis varför blazarer verkar så ljusa för oss - för vi är i raden med jetbrand.)
Astronomer har identifierat flera tusen blazarer i hela universumet, varav ingen ännu har visat sig slingra neutrino på oss som TXS 0506 + 056 är.
"Det finns något speciellt med den här källan, och vi måste ta reda på vad det är," sa Halzen till Space.com.
Det är bara en av många frågor som tagits upp av de nya resultaten. Till exempel skulle Halzen också vilja veta accelerationsmekanismen: Hur exakt får blazarer neutrinoer och kosmiska strålar upp till så enorma hastigheter?
Halzen uttryckte optimism för att besvara sådana frågor inom en relativt nära framtid och citerade kraften hos "multimessenger-astrofysik" - användningen av minst två olika typer av signaler för att förhöra kosmos - som visas i de två nya studierna.
Neutrino-upptäckten följer noggrant hälen på ett annat multimessenger landmärke: I oktober 2017 meddelade forskare att de hade analyserat en kollision mellan två superdena neutronstjärnor genom att observera både den elektromagnetiska strålningen och gravitationsvågorna som släpptes ut under den dramatiska händelsen.
"Älden för multimessengerastrofysik är här," sade NSF-direktören Frankrike Cordova i samma uttalande. "Varje budbärare - från elektromagnetisk strålning, gravitationsvågor och nu neutrino - ger oss en mer fullständig förståelse av universum och viktiga nya insikter om de mest kraftfulla föremål och händelser på himlen."
