Widmowe neutrina pozwalają zajrzeć do serca pobliskiej galaktyki

Jądro niebieskie Messiera 77 jest zlokalizowane w taki sposób, że pył i gaz krążące wokół czarnej dziury przesłaniają obiekt oglądany z Ziemi przy użyciu typowych metod, takich jak teleskopy, które opierają się na świetle optycznym.

„Widzimy galaktykę trochę z boku, a ponieważ patrzymy na nią z boku, czarna dziura chowa się za materią krążącą w jej pobliżu” – powiedział Ignacio Taboada, profesor fizyki z Georgia Institute of Technology. Rzecznik współpracy międzynarodowej, który przeprowadził badanie.

Ale neutrina – najliczniejsze i najbardziej energetyczne cząstki we wszechświecie –Przejdź przez ten gaz i pył bez wpływu Ponieważ rzadko wchodzą w interakcje z czymkolwiek, w tym z polami magnetycznymi, materią lub grawitacją. Ten fantomowy aspekt zapewnia naukowcom bezprecedensowy sposób badania procesów zachodzących wokół wcześniej ukrytej czarnej dziury, w tym przyspieszania supernaładowanych gazów i materii w jej pobliżu.

„Neutrina to inny sposób patrzenia na wszechświat. I za każdym razem, gdy patrzysz na wszechświat w nowy sposób, uczysz się czegoś, czego nie nauczyłbyś się starymi sposobami” – powiedział dr Tabouda.

Neutrina przechowują informacje Według Hansa Niederhausena, doktora habilitowanego na Michigan State University, który był zaangażowany w badania, są one odciskane, gdy powstają w swoich źródłach, w tym w ich energii. Ta sama energia jest sprowadzana na Ziemię za pomocą neutrin.

Teraz, gdy już wiedzą, skąd pochodzą niektóre neutrina, naukowcy badają je, aby lepiej zrozumieć, gdzie zachodzą interakcje w Messier 77, które tworzą i przyspieszają te cząstki – oraz zachowanie i naturę samej czarnej dziury, powiedział dr Niederhausen.

Planują również przeczesać wszechświat w poszukiwaniu innych neutrin z galaktyk z aktywnymi supermasywnymi czarnymi dziurami podobnymi do Messiera 77. Ta galaktyka „daje nam bardzo dobry pomysł, gdzie szukać dalej” – dodał.

Zastosowany w badaniach teleskop do wykrywania neutrin, znany jako Obserwatorium neutrin Ice CubePochowany w miliardzie ton lodu wokół stacji Bieguna Południowego Amundsen-Scott w USA. Kiedy neutrina przechodzą przez Ziemię, czasami zderzają się z atomami lodu. Obserwatorium wykrywa ponad 5000 produktów ubocznych tych rzadkich kolizji i wysyła te dane do komputerów na powierzchni.

Obserwatorium o wartości 279 milionów dolarów, finansowane głównie przez National Science Foundation, zostało ukończone w 2011 roku i wykrywa około 100 000 neutrin rocznie. Prawie wszystkie te neutrina powstają w wyniku procesów zachodzących w naszej atmosferze, ale około kilkaset neutrin wykrywanych co roku pochodzi spoza naszego Układu Słonecznego – znanych jako neutrina astrofizyczne.

Dlatego Neutrina przenikają materię I przechodzą nienaruszeni, podróżując bezbłędnie w linii prostej od punktu stworzenia. Tak więc, wykreślając kierunek transmisji neutrin fizycznych przez lód, naukowcy mogą zrekonstruować jego drogę przez wszechświat do jego źródła.

Blisko 400 naukowców w ponad 50 instytucjach tworzy międzynarodową współpracę IceCube, która analizowała dane Zebrane przez Obserwatorium W latach 2011-2020 zidentyfikowanie 79 neutrin pochodzących z Messiera 77.

Dr Yoshi Uchida, profesor fizyki w Imperial College London, który nie był zaangażowany w badania, powiedział, że odkrycie przez IceCube pojedynczych obiektów, które są astrofizycznymi źródłami neutrin, jest „dość zdumiewające”. „Po 10 latach działania zamienia obserwacje neutrin w kolejne źródło informacji”.

Dr Tapoada powiedział, że wierzy, że IceCube będzie nadal otrzymywać więcej neutrin wychodzących z tej galaktyki. Te przyszłe odkrycia mogą nie tylko pomóc w analizie dodatkowych szczegółów dotyczących supermasywnej czarnej dziury Messiera 77, ale także pomóc odpowiedzieć na „najstarsze pytanie w astronomii”, jak twierdzi Frances Halzen, fizyk z University of Wisconsin-Madison i główny badacz w IceCube.

Od ponad wieku naukowcy wiedzą o istnieniu promieni kosmicznych – strumieni wysokoenergetycznych protonów i jąder atomowych, które poruszają się z prędkością bliską światłu i wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne oraz zaporę cząstek subatomowych, gdy uderzają w ziemską atmosferę. Ale pochodzenie tych promieni i mechanizm, który je przyspiesza i wysyła w naszym kierunku, pozostaje nieuchwytne.

„Coś we wszechświecie dało im ogromny impuls, aby szły tak szybko” – powiedział dr Niederhausen o promieniach kosmicznych.

Neutrina są produktem ubocznym interakcji tych promieni kosmicznych z materią i promieniowaniem otaczającym wysokoenergetyczne obiekty, takie jak supermasywne czarne dziury, więc dr. Śledzenie widmowych cząstek z powrotem do ich powstania może pomóc w wyjaśnieniu pochodzenia promieni kosmicznych, powiedzieli Halzen i Taboada.

Napisz do Aylin Woodward na adres aylin.woodward@wsj.com