Højenergi-neutrinoer fra den aktive galaktiske kerne (AGN) i hjertet af Messier 77-galaksen er blevet opdaget af IceCube neutrino-observatoriet. Galaksen, også kendt som NGC 1068, rummer et supermassivt sort hul, og observationerne åbner et vindue til de voldsomme processer, der menes at skabe kosmiske stråler.
Neutrinoer er undvigende partikler, der næsten ikke interagerer med andet stof og let kan passere lige gennem Jorden. Isterning bruger en kubikkilometer is under Sydpolen til at observere ekstremt sjældne kollisioner mellem kosmiske neutrinoer og vandmolekyler. Disse interaktioner producerer hurtigt bevægende ladede partikler, der skaber lysglimt i isen kaldet Cherenkov-stråling. Lyset fanges af et netværk af mere end 5000 detektorer i isen, hvilket gør det muligt for fysikere, der arbejder i IceCube Collaboration, at finde ud af, hvor neutrinoerne er kommet fra.
IceCube annoncerede det første observationer af højenergiske kosmiske neutrinoer i 2013 og fem år senere foretog den den første påvisning nogensinde af en kosmisk højenergi neutrino fra en type AGN kaldet en blazar.
Nu rapporterer IceCube-forskere om deres største fangst af højenergi-neutrinoer nogensinde. Det er 79 partikler fra M77, som er en galakse, der er 47 millioner lys-år væk. Observationerne blev registreret mellem maj 2011 og maj 2020, og samarbejdet regner med, at neutrinoerne er kommet ud af kernen af M77's AGN, som ellers er skjult for vores syn af en tyk torus af støv og gas.
Kosmisk stråleforbindelse
Astrofysikere mener, at de 79 højenergi-neutrinoer blev skabt, da ladede partikler, såsom protoner, accelereres til høje energier af magnetiske felter i AGN. Nogle af disse accelererede partikler vil undslippe det sorte hul og blive til kosmiske stråler. Andre vil kollidere med partikler eller fotoner i AGN'et for at producere en smule mesoner. Disse mesoner henfalder derefter hurtigt til gammastråler og neutrinoer. I M77 dæmpes gammastrålerne af galaksens støvede torus, men de fleste af neutrinoerne passerer uhindret igennem – og nogle når til sidst Jorden.
Det er meget sandsynligt, at partikelaccelerationen involverer de kraftige, snoede magnetiske felter, der findes i en AGN. Det er dog ikke klart, hvor denne magnetiske acceleration finder sted. Mulige placeringer omfatter tilvækstskiven af stof, der hvirvler ind i det supermassive sorte hul eller den glødende korona, som er det meget varme område, der umiddelbart omgiver det sorte hul. En anden mulighed er, at accelerationen sker i de stofstråler, der blæser ud af AGN'en i retninger vinkelret på accretionsskiven.
Frances Halzen fra University of Wisconsin, Madison, der leder IceCube Collaboration, fortæller Fysik verden at observationerne afslører, at neutrinoerne kommer fra et område af AGN kaldet "kokonen", dette er et kerneområde af AGN, hvor stof blæses udad af strålerne og omslutter koronaen.
Ingen gammastråler registreret
"De [gamma-ray] fotoner, der uundgåeligt produceres sammen med neutrinoerne, mister energi i den tætte kerne og kommer frem ved lavere energier," forklarer han. "Dette understreges af det faktum, at NASA Fermi [gamma-ray] satellitten ikke detekterer kilden i energiområdet for de detekterede neutrinoer."
Den konventionelle opfattelse er, at de fleste partikler og stråling, der udsendes af en AGN, stammer fra den varme akkretionsskive, men der er vokset tvivl om rigtigheden af denne termiske emissionsmodel. Andy Lawrence fra University of Edinburgh påpeger, at nogle AGN'er har variabel lysstyrke, og disse udsving opstår for hurtigt til at være forbundet med ændringer i accretion disc. Lawrence, som ikke er involveret i IceCube-samarbejdet, tilføjer "Det kan være, at en mere sofistikeret diskteori plus medfølgende ikke-termisk emission i diskens corona eller jet kan gøre tricket."
Faktisk synes denne seneste observation fra IceCube at understøtte ideen om, at partikelacceleration forekommer i koronaen af AGN snarere end i accretionsskiven.
Næste generation
Selvom mysteriet om hvordan partikler accelereres i en AGN ikke kan løses med disse 79 neutrinoer, og opgradering af detektoren kaldet IceCube generation 2 skal være afsluttet i 2033.
IceCube identificerer fire galakser som sandsynlige kilder til kosmiske stråler
Halzen siger, at generation 2 er designet til at studere neutrinokilder såsom AGN'er. "Detektoren vil have mere end otte gange så stor volumen som IceCube og, hvad der er vigtigt, også bedre vinkelopløsning. Kombinationen af de to vil tillade detektioner med et års data i stedet for et årti, som det er tilfældet nu."
Messier 77 er en velundersøgt galakse af både amatører og professionelle astronomer. At forstå, hvordan den producerer højenergi-neutrinoer, kunne derfor gøre det muligt for M77 at blive en Rosetta-sten for at forstå andre aktive galakser.
Forskningen er beskrevet i Videnskab.
