I neutrini ad alta energia provenienti dal nucleo galattico attivo (AGN) nel cuore della galassia di Messier 77 sono stati rilevati dall'osservatorio dei neutrini IceCube. Conosciuta anche come NGC 1068, la galassia ospita un buco nero supermassiccio e le osservazioni aprono una finestra sui processi violenti che si ritiene creino i raggi cosmici.
I neutrini sono particelle sfuggenti che interagiscono a malapena con altra materia e possono passare facilmente attraverso la Terra. Cubetto di ghiaccio utilizza un chilometro cubo di ghiaccio sotto il Polo Sud per osservare collisioni estremamente rare tra neutrini cosmici e molecole d'acqua. Queste interazioni producono particelle cariche in rapido movimento che creano lampi di luce nel ghiaccio chiamati radiazione Cherenkov. La luce viene catturata da una rete di oltre 5000 rivelatori all'interno del ghiaccio, consentendo ai fisici che lavorano nella collaborazione IceCube di capire da dove provengono i neutrini.
IceCube ha annunciato il suo prime osservazioni di neutrini cosmici ad alta energia nel 2013 e cinque anni dopo ha effettuato il primo rilevamento in assoluto di a neutrino cosmico ad alta energia da un tipo di AGN chiamato blazar.
Ora, gli scienziati di IceCube stanno riportando il loro più grande bottino di neutrini ad alta energia di sempre. Si tratta di 79 particelle di M77, che è una galassia con 47 milioni di luce-anni di distanza. Le osservazioni sono state registrate tra maggio 2011 e maggio 2020 e la collaborazione stima che i neutrini siano emersi dal nucleo dell'AGN di M77, che altrimenti è nascosto alla nostra vista da uno spesso toro di polvere e gas.
Connessione ai raggi cosmici
Gli astrofisici ritengono che i 79 neutrini ad alta energia siano stati creati quando particelle cariche come i protoni vengono accelerate ad alte energie dai campi magnetici all'interno dell'AGN. Alcune di queste particelle accelerate sfuggiranno al buco nero e diventeranno raggi cosmici. Altri entreranno in collisione con particelle o fotoni all'interno dell'AGN per produrre un'infarinatura di mesoni. Questi mesoni poi decadono rapidamente in raggi gamma e neutrini. In M77, i raggi gamma sono attenuati dal toro polveroso della galassia, ma la maggior parte dei neutrini attraversa senza ostacoli, con alcuni che alla fine raggiungono la Terra.
È molto probabile che l'accelerazione delle particelle coinvolga i potenti campi magnetici tortuosi che esistono all'interno di un AGN. Tuttavia, non è chiaro dove si verifica questa accelerazione magnetica. Le possibili posizioni includono il disco di accrescimento di materia che vortica nel buco nero supermassiccio o la corona luminosa, che è la regione molto calda che circonda immediatamente il buco nero. Un'altra possibilità è che l'accelerazione avvenga nei getti di materia che esplodono dall'AGN in direzioni perpendicolari al disco di accrescimento.
Francesca Halzen dell'Università del Wisconsin, dice Madison, che guida la IceCube Collaboration Mondo della fisica che le osservazioni rivelano che i neutrini provengono da una regione dell'AGN chiamata "bozzolo", questa è una regione centrale dell'AGN in cui la materia viene soffiata verso l'esterno dai getti e avvolge la corona.
Nessun raggio gamma rilevato
"I fotoni [di raggi gamma] che sono inevitabilmente prodotti insieme ai neutrini perdono energia nel nucleo denso ed emergono a energie più basse", spiega. “Ciò è sottolineato dal fatto che il satellite Fermi [gamma-ray] della NASA non rileva la sorgente nella gamma di energia dei neutrini rilevati”.
L'opinione convenzionale è che la maggior parte delle particelle e delle radiazioni emesse da un AGN abbia origine nel disco di accrescimento caldo, tuttavia sono aumentati i dubbi sulla veridicità di questo modello termico di emissione. Andy Lorenzo dell'Università di Edimburgo sottolinea che alcuni AGN hanno una luminosità variabile e queste fluttuazioni si verificano troppo rapidamente per essere associate a cambiamenti nel disco di accrescimento. Lawrence, che non è coinvolto nella collaborazione con IceCube, aggiunge: "Può darsi che una teoria del disco più sofisticata e l'emissione non termica di accompagnamento nella corona o nel getto del disco potrebbero fare il trucco".
In effetti, quest'ultima osservazione di IceCube sembra supportare l'idea che l'accelerazione delle particelle si verifica nella corona dell'AGN piuttosto che nel disco di accrescimento.
Prossima generazione
Sebbene il mistero dell'accelerazione delle particelle in un AGN non possa essere risolto con questi 79 neutrini, e l'aggiornamento del rivelatore chiamato IceCube Generazione 2 dovrebbe essere completato entro il 2033.
IceCube identifica quattro galassie come probabili fonti di raggi cosmici
Halzen afferma che la Generazione 2 è stata progettata per studiare le fonti di neutrini come gli AGN. “Il rilevatore avrà un volume otto volte superiore a quello di IceCube e, soprattutto, una migliore risoluzione angolare. La combinazione dei due consentirà rilevamenti con un anno di dati anziché un decennio, come avviene ora".
Messier 77 è una galassia ben studiata da astronomi dilettanti e professionisti allo stesso modo. Capire come produce neutrini ad alta energia potrebbe quindi consentire a M77 di diventare una stele di Rosetta per la comprensione di altre galassie attive.
La ricerca è descritta in Scienze.
