Wyniki badania zostały zaprezentowane podczas naukowego webinaru online, w którym uczestniczyli eksperci
Co zrobili naukowcy?
Międzynarodowa grupa astronomów po raz pierwszyodkryli dowody na emisję neutrin o wysokiej energii z galaktyki NGC 1068 w odległości 47 milionów lat świetlnych od Ziemi. Znana jest również jako Messier 77 i znajduje się w gwiazdozbiorze Wieloryba. Ze względu na swoją jasność i aktywność NGC 1068 jest jednym z najbardziej znanych i najlepiej zbadanych obiektów. Odkryto go w 1780 roku i obecnie można go obserwować za pomocą dużych lornetek.
Pomimo tego, że naukowcy dużo wiedzą o NGC 1068, obserwacja jej ukrytej aktywności neutrin nie była taka łatwa. Dlaczego dokładnie, powiemy trochę później.
Jak to zrobili?
Naukowcy odkrywają neutrina dzięki obserwatoriumkostka lodu. Jest to ogromny teleskop neutrinowy, który obejmuje miliard ton przetworzonego lodu od 1,5 do 2,5 km pod powierzchnią Antarktydy w pobliżu bieguna południowego.
Kiedy neutrino oddziałuje z cząsteczkami czystego lodu Antarktydy, wytwarza cząstki wtórne, które pozostawiają smugę niebieskiego światła, gdy przechodzą przez detektor IceCube.
Źródło i prawa autorskie: Nicole R. Fuller, IceCube/NSF
To wyjątkowe obserwatorium, które eksplorujenajdalszych zakątków wszechświata tutaj na Ziemi, z pomocą neutrin. To dzięki niemu naukowcy zgłosili w 2018 roku pierwszą obserwację źródła wysokoenergetycznych neutrin. Mowa o obiekcie TXS 0506 + 056, potężnym blazarze, który znajduje się na lewym ramieniu Oriona, konstelacji 4 miliardy lat świetlnych od Ziemi.
Odkrycie drugiego źródła wysokoenergetycznych neutrin i promieni kosmicznych to efekt ponad 30 lat badań naukowych. Ilustracja: IceCube/NSF
Kiedy neutrina oddziałują z cząsteczkami czystego lodu Antarktyki, powstają cząstki wtórne. Przechodząc przez detektor IceCube, pozostawiają ślad niebieskiego światła.
W sumie zgromadził ok80 neutrin o energii teraelektronowoltowej z NGC 1068. Jak wyjaśniają autorzy nowego badania, udało im się „złapać” cząstki dzięki dokładnej aktualizacji kalibracji detektora. Prace specjalistów ds. eksploatacji sprzętu usprawniły rekonstrukcję kierunku neutrin. Krótko mówiąc, fizycy byli w stanie dokładniej prześledzić ścieżkę cząstek z NGC 1068.
Co to są neutrina?
Neutrina to popularna nazwa neutralnychcząstki podstawowe o spinie półcałkowitym. Ich osobliwością jest to, że uczestniczą jedynie w oddziaływaniach słabych i grawitacyjnych i należą do klasy leptonów. Obecnie fizycy znają trzy typy tych cząstek: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe, a także odpowiadające im antycząstki. Kolejną cechą neutrin jest to, że mają bardzo małą masę i nie mają ładunku. Powstają w reakcjach termojądrowych gwiazd i eksplozjach supernowych .
Schemat detektora IceCube. Ilustracja: IceCube/NSF
Badanie tych cząstek jest jedną z najważniejszych dziedzin fizyki. Z ich pomocą naukowcy znajdują i badają efekty wykraczające poza Model Standardowy.
Model Standardowy — teoretycznykonstrukt w fizyce cząstek elementarnych opisujący elektromagnetyczne, słabe i silne oddziaływania wszystkich cząstek elementarnych. Nowoczesne sformułowanie ukończono około 20 lat temu po eksperymentalnym potwierdzeniu istnienia kwarków.
Za pomocą neutrin słonecznych astronomowie badają w czasie rzeczywistym procesy zachodzące na Słońcu.
Jak „działa” neutrino?
W przeciwieństwie do światła, neutrina mogą uciekaćniezwykle gęstych środowiskach we Wszechświecie i dotrzeć do Ziemi. Materia i pola elektromagnetyczne przenikające przestrzeń pozagalaktyczną nie mają na nią praktycznie żadnego wpływu.
Chociaż naukowcy wymyślili więcej astronomii neutrin60 lat temu słabe oddziaływanie cząstek z materią i promieniowaniem sprawiło, że były one niezwykle trudne do wykrycia. Ale to jest nadal bardzo ważne. Naukowcy nazywają neutrina „kluczem”, który pomoże badać najbardziej ekstremalne obiekty w kosmosie.
Co wiadomo o galaktycznym „dostawcy neutrin”?
Podobnie jak w przypadku Drogi Mlecznej,NGC 1068 to galaktyka spiralna z poprzeczką, z luźno nawiniętymi ramionami i stosunkowo niewielkim zgrubieniem centralnym. Jednak w przeciwieństwie do naszej galaktyki, NGC 1068 jest obiektem aktywnym. Oznacza to, że większość promieniowania nie jest wytwarzana przez gwiazdy, ale przez materię wpadającą do centralnej czarnej dziury. Jest miliony razy masywniejsza od Słońca, a nawet od Strzelca A*, nieaktywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki.
Hubble obraz galaktyki spiralnej NGC 1068. Źródło: NASA/ESA/A. van der Hoevena
NGC 1068 również należy do galaktyk Seyferta typu II.
Galaktyka Seyferta - spiralna lubnieregularna galaktyka z aktywnym jądrem, której widmo emisyjne zawiera wiele jasnych, szerokich pasm, wskazujących na potężną emisję gazu z prędkością do kilku tysięcy kilometrów na sekundę. Obiekty typu II mają charakterystyczny jasny rdzeń i wydają się jasne także podczas obserwacji w podczerwieni.
główny problem
NGC 1068 jest widoczna z Ziemi pod takim kątem, żecentralny obszar, w którym znajduje się czarna dziura, jest ukryty przed obserwacją. Procesy zachodzące w jej wnętrzu pozostają tajemnicą. Również w galaktykach Seyferta typu II torus pyłu jądrowego przesłania większość wysokoenergetycznego promieniowania. Jest wytwarzany przez gęstą masę gazu i cząstek, które powoli i spiralnie poruszają się do wewnątrz, w kierunku centrum galaktyki.
Wszystko to, plus promieniowanie, powinno blokowaćpromienie gamma. W przeciwnym razie „towarzyszyłyby” neutrinom i pomagały naukowcom. Teraz, gdy fizycy skalibrowali detektory IceCube i wykryli nieuchwytne cząstki z jądra NGC 1068, dowiadują się więcej o środowisku wokół supermasywnych czarnych dziur, nie biorąc pod uwagę promieni gamma.
Dlaczego liczenie neutrin z galaktyk jest tak ważne?
Zdaniem autorów badania, dziękiPomiary neutrin TXS 0506+056 i NGC 1068 IceCube są o krok bliżej do odpowiedzi na pytanie o pochodzenie promieni kosmicznych, które naukowcy zadają sobie od ponad stu lat.
Widok laboratorium IceCube o zmierzchu.
Źródło i prawa autorskie: Martin Wolf, IceCube/NSF
Teraz naukowcy wiedzą, czym sąstrumienie oddzielnych i niepowiązanych naładowanych cząstek, które „wylatują” z przestrzeni kosmicznej z ogromną prędkością. Dominują w nich protony, ale zawierają także elektrony, jądra helu i cięższe pierwiastki chemiczne.
Ponadto badanie pomogło naukowcom zrozumieć, że we wszechświecie może istnieć znacznie więcej takich obiektów. Nie udało się ich jeszcze zidentyfikować.
Co dalej?
W przyszłości NGC 1068 stanie się punktem odniesienia dlaWedług autorów badania teleskopy neutrinowe. Tak, to już bardzo dobrze zbadany obiekt dla astronomów. Ale neutrina pozwolą naukowcom zobaczyć tę galaktykę w zupełnie inny sposób.
Czytaj więcej:
Nazwany konsekwencjami ostatniej burzy słonecznej, która uderzyła w Ziemię
Potężne uderzenie obiektu kosmicznego uruchomiło pole magnetyczne Ziemi
Ogromny tunel pod egipską świątynią „ukrytymi” tajemniczymi artefaktami
Źródła:
Dowody na emisję neutrin z pobliskiej aktywnej galaktyki NGC 1068, Science (2022)
Neutrina ujawniają ukrytą aktywność galaktyczną, Nauka (2022)
Okładka: galaktyka spiralna z poprzeczką NGC 1068
Współtwórcy: NASA, ESA, Alex Filippenko (UC Berkeley), William Sparks (STScI), Louis C. Ho (KIAA-PKU), Matthew A. Malkan (UCLA), Alessandro Capetti (STScI), Alyssa Pagan (STScI)