Dolgo potovanje malega nevtrina

Pred skoraj štirimi milijardami let je črna luknja v osrčju daljne galaksije ustvarila curek visokoenergijskih delcev. Ko so ti septembra lani prišli do nas, je mednarodni skupini raziskovalcev, med katerimi sem tudi sama, uspelo zaznati enega od njih – izmuzljivi nevtrino – in ga s pomočjo Nasinega vesoljskega teleskopa Fermi povezati z verjetnim krajem nastanka.

Pred več kot sto leti so znanstveniki odkrili, da se v Zemljo zaletavajo in jo prebadajo delci iz vesolja. Vse od takrat se sprašujemo, od kod prihajajo ter kakšni kozmični pospeševalniki so jih zmožni pospešiti do tako velikih energij in pognati čez ogromne vesoljske razdalje. Zdaj smo prvič dobili neposreden dokaz, da lahko astrofizikalni izvori, imenovani blazarji ali, točneje, supermasivne črne luknje, ki ležijo v njihovem središču, proizvajajo in pospešijo kozmične delce do energij, ki so večdesetkrat večje od tistih, ki jih dosežemo v pospeševalnikih delcev na Zemlji. Odkritje smo prejšnji teden že objavili v prestižni reviji Science magazine.




 

Izjemna moč blazarjev

V 40. letih prejšnjega stoletja so opazovalni astronomi ugotovili, da imajo nekatere galaksije zelo svetla središča – aktivna galaktična jedra, ki so tako svetla, da središčno območje oddaja veliko več svetlobe kot celotna preostala galaksija.

Večina svetlobe, ki jo oddajajo, ima veliko višjo frekvenco oziroma energijo kot svetloba, ki jo oddajajo zvezde. Aktivna galaktična jedra so pogosto močni izvori zelo visokoenergijske rentgenske in gamasvetlobe. Poleg tega se izsev aktivnih galaktičnih jeder pogosto močno spreminja na kratkih časovnih skalah (nekaj ur ali dni). Takšna spremenljivost pomeni, da mora biti vir svetlobe zelo kompakten, velikosti nekaj svetlobnih ur ali svetlobnih dni (za primerjavo: velikost naše galaksije je sto tisoč svetlobnih let). Pogosto najdemo dokaze, da je svetloba teh izvorov usmerjena v ozke, curkom podobne strukture. Aktivna galaktična jedra, katerih curki kažejo direktno proti nam, zaradi česar jih vidimo kot zelo svetle, imenujemo blazarji.



Čeprav smo že od poznih šestdesetih let pridobivali podatke o visokoenergijski svetlobi blazarjev, se je revolucija na tem področju zgodila z izstrelitvijo satelita Fermi junija 2008 (satelit je pred kratkim praznoval deseti rojstni dan). Medtem ko je bilo pred satelitom Fermi in njegovim instrumentom LAT (Large Area Telescope) prek sevanja gama zaznanih približno dvesto aktivnih galaktičnih jeder, jih je Fermi po celotnem nebu odkril več kot tisoč. Izkazalo se je, da blazarje najdemo povsod v vesolju.

 

Črne luknje kot pospeševalnik

Vse odkar je nemški fizik Karl Schwarzschild pred skoraj natanko sto leti postavil teoretične temelje za njihov obstoj kot rešitev Einsteinovih enačb splošne teorije relativnosti, so črne luknje burile domišljijo znanstvenikov. To so območja vesolja, kjer je gravitacija tako močna, da je v njih in v njihovi bližini tkanina prostor-časa zelo spremenjena. Črne luknje nastanejo v končni fazi življenja masivnih zvezd, ko zvezda ne zmore več proizvajati dovolj energije z zlivanjem atomskih jeder, da bi vzdržala pritisk lastne gravitacije. Sredica zvezde se tako sesede, pri čemer jo lastna gravitacija stisne v »točko«. Večina galaksij ima v svojem središču tako imenovane supermasivne črne luknje (z maso od milijona do nekaj milijard mas Sonca). Kako točno so nastale te velikanke, je še vedno skrivnost, ki jo s pomočjo sodobnih instrumentov šele začenjamo razumevati.

Supermasivne črne luknje lahko obdaja gost disk plina, imenovan akrecijski disk, v katerem zaradi močne gravitacije v bližini črne luknje vladajo ekstremne temperature in tlaki. Takšna ekstremna okolja smo že dolgo proučevali kot možne astrofizikalne vire, ki bi bili sposobni pospešiti električno nabite kozmične delce do velikih energij.

Takšne delce je v močnih elektromagnetnih poljih, ki so prisotna v akrecijskem disku in njegovi bližini, najpreprosteje pospešiti do velikih hitrosti. Pospešeni delci po tem začnejo trkati v snov, ki jih obdaja, pri čemer se sprosti sevanje gama, ki ga lahko izmeri Fermi LAT.

Akrecijski diski okoli črnih lukenj so torej lahko vir nabitih delcev in sevanja gama. Črne luknje in njihovi akrecijski diski so tudi zelo kompaktni oziroma majhni v astronomskem smislu, s čimer lahko pojasnimo tako ekstremno energijo svetlobe kot prej omenjeno spremenljivost blazarjev na kratkih časovnih skalah.
 

Izmuzljivi nevtrini

Ko nabiti kozmični delci trčijo z okoliško snovjo, poleg sevanja gama proizvedejo še posebno vrsto delcev – nevtrine. Tako kot sevanje gama so nevtrini električno nevtralni in potujejo (če zanemarimo gravitacijsko lečenje) po vesolju naravnost. Če smer njihovega prihoda na Zemljo podaljšamo nazaj v vesolje, tako pridemo do njihovega izvora. V tem se razlikujejo od nabitih kozmičnih delcev, ki se jim pot v intergalaktičnem in galaktičnem magnetnem polju ukrivi, zaradi česar izgubijo »povezavo« s svojim izvorom in tako ne vemo, od kod so prišli.



Težava z visokoenergijskimi nevtrini pa je, da jih je izjemno težko zaznati. Leta 2010 je bil v bližini Amundsen-Scottove raziskovalne postaje na južnem polu zgrajen IceCube, observatorij za nevtrine z več kot pet tisoč optičnimi senzorji, vstavljenimi v kubični kilometer antarktičnega ledu. Ogromna prostornina tega eksperimenta je potrebna za to, da bo lahko IceCube v več letih delovanja zaznal dovolj veliko število teh izmuzljivih delcev. Leta 2013 je kolaboracija IceCube oznanila detekcijo prvega visokoenergijskega nevtrina astrofizikalnega izvora in s tem odprla novo poglavje v visokoenergijski astrofiziki.
 

Večglasniška astronomija

Visokoenergijski nevtrini so še ena vrsta »glasnikov« iz vesolja oziroma dodatno »okno«, skozi katero ga lahko opazujemo. Tako lahko zdaj poleg običajnih metod opazovanja svetlobe iz celotnega elektromagnetnega spektra, ki prihaja iz astrofizikalnih izvorov, »vidimo« vesolje in objekte v njem tudi prek nevtrinov, nabitih kozmičnih delcev in od jeseni 2015 tudi gravitacijskih valov.

Nevtrini so ključni v še enem pogledu: medtem ko lahko sevanje gama, oblika svetlobe z najvišjo energijo oziroma frekvenco, nastane tako pri trkih protonov kot pri drugih reakcijah, nevtrini večinoma nastanejo pri reakcijah, v katerih nastopajo zelo hitri protoni in atomska jedra. Čeprav sevanje gama in nevtrini nastanejo v istih astrofizikalnih okoljih, samo nevtrini dokazujejo prisotnost pospešenih protonov in razkrivajo podrobnosti mehanizmov pospeševanja v osrčju blazarjev. To nam omogoča, da podrobneje raziščemo fizikalne procese v bližini črnih lukenj. Zato pravimo, da je rojstvo visokoenergijske nevtrinske astronomije skupaj z rojstvom astronomije gravitacijskih valov zaznamovalo začetek večglasniške ere v astrofiziki, v kateri lahko s pomočjo različnih virov odkrivamo podrobnosti procesov, ki potekajo v najbolj oddaljenih in skritih kotičkih našega vesolja.
 

Veliko odkritje

Ker je visokoenergijske nevtrine zelo težko zaznati, doslej so jih zaznali le okoli 80, je težko z gotovostjo povedati, iz kakšne vrste objektov v vesolju prihajajo. Da bi izkoristili možnosti, ki jih ponuja večglasniška astronomija, je nevtrinski observatorij IceCube uvedel sistem opozoril v realnem času, s katerimi takoj po detekciji obvestijo astronomsko skupnost o smeri zaznanih visokoenergijskih nevtrinov. Tako lahko znanstveniki pri drugih eksperimentih, ki opazujejo različne vrste svetlobe, čim prej usmerijo svoj pogled v tisto smer in poiščejo morebitni izvor. Od začetka programa aprila 2016 do vključno oktobra 2017 je bilo izdanih deset javnih opozoril za morebitne visokoenergijske nevtrinske dogodke.




Dvaindvajsetega septembra lani je IceCube zaznal takšen nevtrinski dogodek. Analiza podatkov je pokazala, da je imel izvorni nevtrino energijo približno 300.000 milijard elektronskih voltov (300 TeV), kar je okrog 45-krat več, kot lahko dosežejo v najmočnejših pospeševalnikih delcev na Zemlji. Ta energija je pomenila, da je izvor nevtrina zunaj našega osončja in zelo verjetno tudi zunaj naše galaksije. Sled, ki jo je nevtrino naredil v detektorju IceCube, je kazala verjetno smer njegovega izvora na nebu. Samodejno opozorilo o detekciji in smeri je bilo poslano astronomom povsod po svetu, da so lahko preiskali to območje neba in iskali morebitne blišče ali izbruhe, ki bi lahko bili povezani z zaznanim nevtrinom.

Osemindvajsetega septembra so Fermijevi znanstveniki sporočili, da je instrument Fermi LAT zaznal povečano sevanje gama iz blazarja, ki leži v smeri, iz katere je prišel visokoenergijski nevtrino. To je povzročilo v znanstvenih krogih precejšnje vznemirjenje, saj smo prvič dobili kandidata za izvor visokoenergijskih nevtrinov. Izvor je bil blazar z oznako TXS 0506+056, ki leži v ozvezdju Orion in daleč zunaj naše galaksije. Svetloba in nevtrini iz njega so do Zemlje potovali 3,7 milijarde let.

»Fermi LAT spremlja sevanje gama po celotnem nebu in zaznava aktivnost okoli dva tisoč blazarjev, vendar je TXS 0506+056 resnično izstopal,« je povedala Sara Buson, podoktorska raziskovalka v Goddardovem vesoljskem centru. »Ta blazar leži blizu središča območja, ki ga je za položaj izvora nevtrina določil IceCube, in je bil v času detekcije nevtrina najbolj aktiven blazar, kar jih je Fermi zaznal v celotnem desetletju.«



Opažena povezava med visokoenergijskim nevtrinom in blazarjem v obdobju povečanega sija nakazuje, da bi blazarji lahko bili eden od dolgo iskanih izvorov zelo visokoenergijskih kozmičnih delcev in bi tako utegnili biti odgovorni (vsaj) za del kozmičnih nevtrinov, ki jih je IceCube zaznal že pred tem.
 

Več opazovalcev več vidi

Odkritje kaže, kako pomembne prispevke k novim astrofizikalnim spoznanjem je mogoče doseči z večglasniško astronomijo. Sodelovanje med nevtrinskim observatorijem IceCube in observatorijem Fermi LAT za sevanje gama je omogočilo določitev izvora visokoenergijskih nevtrinov in odločilno prispevalo k rešitvi dolgoletne uganke. Nadaljnja opazovanja z atmosferskim teleskopom Magic na kanarskem otoku La Palma in okrog dvajsetimi observatoriji za rentgensko, optično in radijsko svetlobo pa so omogočila še podrobnejše proučevanje lastnosti tega blazarja.

Zgodba je podobna lanski zgodbi o zlitju dveh nevtronskih zvezd (Delo, Znanost, 19. oktobra): takrat so gravitacijski detektorji zaznali signal gravitacijskih valov, kmalu zatem satelit Fermi sevanje gama iz istega dela neba, nato pa je okoli 70 observatorijev podrobneje proučevalo nastalo svetlobo vseh vrst, kar je prineslo kopico pomembnih astrofizikalnih spoznanj.

»Namen večglasniške astronomije je povezati najbolj ekstremne kozmične eksplozije, ki ustvarjajo gravitacijske valove, in najbolj ekstremne kozmične pospeševalnike, ki povzročijo nastanek visokoenergijskih nevtrinov in kozmičnih delcev, s tem, kar vidimo s pomočjo svetlobe,« pravi Regina Caputo, koordinatorka analize podatkov v kolaboraciji Fermi LAT. »Sevanje gama, ki ga detektira Fermi, je most med različnimi glasniki iz vesolja.«