Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας από τον ενεργό γαλαξιακό πυρήνα (AGN) στην καρδιά του γαλαξία Messier 77 έχουν εντοπιστεί από το παρατηρητήριο νετρίνων IceCube. Γνωστός και ως NGC 1068, ο γαλαξίας φιλοξενεί μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και οι παρατηρήσεις ανοίγουν ένα παράθυρο στις βίαιες διεργασίες που πιστεύεται ότι δημιουργούν κοσμικές ακτίνες.
Τα νετρίνα είναι άπιαστα σωματίδια που μετά βίας αλληλεπιδρούν με άλλη ύλη και μπορούν εύκολα να περάσουν κατευθείαν μέσα από τη Γη. Παγάκι χρησιμοποιεί ένα κυβικό χιλιόμετρο πάγου κάτω από τον Νότιο Πόλο για να παρατηρήσει εξαιρετικά σπάνιες συγκρούσεις μεταξύ κοσμικών νετρίνων και μορίων νερού. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις παράγουν γρήγορα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια που δημιουργούν λάμψεις φωτός στον πάγο που ονομάζεται ακτινοβολία Cherenkov. Το φως συλλαμβάνεται από ένα δίκτυο με περισσότερους από 5000 ανιχνευτές μέσα στον πάγο, επιτρέποντας στους φυσικούς που εργάζονται στο IceCube Collaboration να προσδιορίσουν από πού προέρχονται τα νετρίνα.
Το IceCube το ανακοίνωσε πρώτες παρατηρήσεις κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας το 2013 και πέντε χρόνια αργότερα έκανε την πρώτη ανίχνευση α κοσμικό νετρίνο υψηλής ενέργειας από έναν τύπο AGN που ονομάζεται blazar.
Τώρα, οι επιστήμονες του IceCube αναφέρουν το μεγαλύτερο απόθεμα νετρίνων υψηλής ενέργειας ποτέ. Αυτά είναι 79 σωματίδια από τον M77, ο οποίος είναι ένας γαλαξίας 47 εκατομμυρίων φωτός-χρόνια μακριά. Οι παρατηρήσεις καταγράφηκαν μεταξύ Μαΐου 2011 και Μαΐου 2020 και η συνεργασία υπολογίζει ότι τα νετρίνα προέκυψαν από τον πυρήνα του AGN του M77, ο οποίος κατά τα άλλα κρύβεται από την άποψή μας από έναν παχύ κορμό σκόνης και αερίου.
Σύνδεση με κοσμικές ακτίνες
Οι αστροφυσικοί πιστεύουν ότι τα 79 νετρίνα υψηλής ενέργειας δημιουργήθηκαν όταν φορτισμένα σωματίδια όπως τα πρωτόνια επιταχύνονται σε υψηλές ενέργειες από μαγνητικά πεδία εντός του AGN. Μερικά από αυτά τα επιταχυνόμενα σωματίδια θα ξεφύγουν από τη μαύρη τρύπα και θα γίνουν κοσμικές ακτίνες. Άλλα θα συγκρουστούν με σωματίδια ή φωτόνια εντός του AGN για να παραγάγουν ένα σωρό μεσόνια. Αυτά τα μεσόνια στη συνέχεια διασπώνται γρήγορα σε ακτίνες γάμμα και νετρίνα. Στο M77, οι ακτίνες γάμμα εξασθενούν από τον σκονισμένο τόρο του γαλαξία, αλλά τα περισσότερα από τα νετρίνα περνούν ανεμπόδιστα – με μερικά να φτάνουν τελικά στη Γη.
Είναι πολύ πιθανό η επιτάχυνση των σωματιδίων να περιλαμβάνει τα ισχυρά, συστρεφόμενα μαγνητικά πεδία που υπάρχουν μέσα σε ένα AGN. Ωστόσο, δεν είναι σαφές πού συμβαίνει αυτή η μαγνητική επιτάχυνση. Πιθανές τοποθεσίες περιλαμβάνουν τον δίσκο συσσώρευσης ύλης που στροβιλίζεται στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα ή το λαμπερό στέμμα, που είναι η πολύ θερμή περιοχή που περιβάλλει αμέσως τη μαύρη τρύπα. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι η επιτάχυνση συμβαίνει στους πίδακες ύλης που εκτοξεύονται έξω από το AGN σε κατευθύνσεις κάθετες στον δίσκο προσαύξησης.
Φράνσις Χάλζεν του Πανεπιστημίου του Wisconsin, Madison, που ηγείται της IceCube Collaboration, λέει Κόσμος Φυσικής ότι οι παρατηρήσεις αποκαλύπτουν ότι τα νετρίνα προέρχονται από μια περιοχή του AGN που ονομάζεται "κουκούλι", αυτή είναι μια περιοχή πυρήνα του AGN στην οποία η ύλη φυσάται προς τα έξω από τους πίδακες και περιβάλλει το στέμμα.
Δεν ανιχνεύθηκαν ακτίνες γάμμα
«Τα φωτόνια [ακτίνων γάμμα] που παράγονται αναπόφευκτα μαζί με τα νετρίνα χάνουν ενέργεια στον πυκνό πυρήνα και αναδύονται σε χαμηλότερες ενέργειες», εξηγεί. «Αυτό υπογραμμίζεται από το γεγονός ότι ο δορυφόρος Fermi [ακτίνων γάμμα] της NASA δεν ανιχνεύει την πηγή στο ενεργειακό εύρος των νετρίνων που ανιχνεύθηκαν».
Η συμβατική άποψη είναι ότι τα περισσότερα σωματίδια και ακτινοβολία που εκπέμπονται από ένα AGN προέρχονται από τον θερμό δίσκο προσαύξησης, ωστόσο οι αμφιβολίες έχουν αυξηθεί ως προς την ακρίβεια αυτού του θερμικού μοντέλου εκπομπής. Άντι Λόρενς του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου επισημαίνει ότι ορισμένα AGN έχουν μεταβλητή φωτεινότητα και αυτές οι διακυμάνσεις συμβαίνουν πολύ γρήγορα για να συσχετιστούν με αλλαγές στον δίσκο προσαύξησης. Ο Lawrence, ο οποίος δεν συμμετέχει στη συνεργασία του IceCube, προσθέτει: «Ίσως μια πιο εξελιγμένη θεωρία δίσκου και η συνοδευτική μη θερμική εκπομπή στο στέμμα του δίσκου ή στον πίδακα μπορεί να κάνει το κόλπο».
Πράγματι, αυτή η τελευταία παρατήρηση από τον IceCube φαίνεται να υποστηρίζει την ιδέα ότι η επιτάχυνση των σωματιδίων συμβαίνει στο στέμμα του AGN και όχι στον δίσκο προσαύξησης.
Επόμενη γενιά
Αν και το μυστήριο του πώς επιταχύνονται τα σωματίδια σε ένα AGN δεν μπορεί να λυθεί με αυτά τα 79 νετρίνα, και η αναβάθμιση του ανιχνευτή ονομάζεται IceCube Generation 2 θα πρέπει να ολοκληρωθεί έως το 2033.
Το IceCube προσδιορίζει τέσσερις γαλαξίες ως πιθανές πηγές κοσμικών ακτίνων
Ο Halzen λέει ότι η Generation 2 έχει σχεδιαστεί για να μελετά πηγές νετρίνων όπως τα AGN. «Ο ανιχνευτής θα έχει περισσότερο από οκτώ φορές μεγαλύτερο όγκο από τον IceCube και, το σημαντικότερο, καλύτερη γωνιακή ανάλυση επίσης. Ο συνδυασμός των δύο θα επιτρέψει ανιχνεύσεις με δεδομένα ενός έτους και όχι μιας δεκαετίας όπως συμβαίνει τώρα».
Ο Messier 77 είναι ένας καλά μελετημένος γαλαξίας τόσο από ερασιτέχνες όσο και από επαγγελματίες αστρονόμους. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο παράγει νετρίνα υψηλής ενέργειας θα μπορούσε επομένως να επιτρέψει στον M77 να γίνει Πέτρα Ροζέτα για την κατανόηση άλλων ενεργών γαλαξιών.
Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστήμη.
