Hoogenergetische neutrino's uit de actieve galactische kern (AGN) in het hart van het Messier 77-sterrenstelsel zijn gedetecteerd door het IceCube-neutrino-observatorium. Ook bekend als NGC 1068, herbergt de melkweg een superzwaar zwart gat en de waarnemingen openen een venster naar de gewelddadige processen waarvan wordt aangenomen dat ze kosmische straling creëren.
Neutrino's zijn ongrijpbare deeltjes die nauwelijks interactie hebben met andere materie en gemakkelijk dwars door de aarde kunnen gaan. Ijsblokje gebruikt een kubieke kilometer ijs onder de Zuidpool om uiterst zeldzame botsingen tussen kosmische neutrino's en watermoleculen waar te nemen. Deze interacties produceren snel bewegende geladen deeltjes die lichtflitsen in het ijs creëren die Cherenkov-straling worden genoemd. Het licht wordt opgevangen door een netwerk van meer dan 5000 detectoren in het ijs, waardoor natuurkundigen die in de IceCube Collaboration werken, kunnen achterhalen waar de neutrino's vandaan komen.
IceCube heeft zijn . aangekondigd eerste waarnemingen van hoogenergetische kosmische neutrino's in 2013 en vijf jaar later werd voor het eerst een kosmisch hoogenergetisch neutrino van een type AGN dat een blazar . wordt genoemd.
Nu rapporteren IceCube-wetenschappers hun grootste hoeveelheid hoogenergetische neutrino's ooit. Dit zijn 79 deeltjes van M 77, een sterrenstelsel met 47 miljoen licht-jaar weg. De waarnemingen zijn vastgelegd tussen mei 2011 en mei 2020 en volgens het samenwerkingsverband zijn de neutrino's naar voren gekomen uit de kern van M77's AGN, die anders aan ons zicht wordt onttrokken door een dikke torus van stof en gas.
Kosmische-straalverbinding
Astrofysici geloven dat de 79 hoogenergetische neutrino's zijn ontstaan toen geladen deeltjes zoals protonen door magnetische velden in de AGN tot hoge energieën werden versneld. Sommige van deze versnelde deeltjes zullen aan het zwarte gat ontsnappen en kosmische straling worden. Anderen zullen botsen met deeltjes of fotonen in de AGN om een paar mesonen te produceren. Deze mesonen vervallen vervolgens snel in gammastralen en neutrino's. In M 77 worden de gammastralen afgezwakt door de stoffige torus van de melkweg, maar de meeste neutrino's passeren ongehinderd - sommige bereiken uiteindelijk de aarde.
Het is zeer waarschijnlijk dat de deeltjesversnelling te maken heeft met de krachtige, draaiende magnetische velden die in een AGN bestaan. Het is echter niet duidelijk waar deze magnetische versnelling optreedt. Mogelijke locaties zijn onder meer de accretieschijf van materie die in het superzware zwarte gat wervelt of de gloeiende corona, het zeer hete gebied direct rondom het zwarte gat. Een andere mogelijkheid is dat de versnelling plaatsvindt in de jets van materie die uit de AGN schieten in richtingen loodrecht op de accretieschijf.
Frances Halzen van de Universiteit van Wisconsin, Madison, die de IceCube-samenwerking leidt, vertelt: Natuurkunde wereld dat de waarnemingen onthullen dat de neutrino's afkomstig zijn uit een gebied van de AGN dat de "cocon" wordt genoemd, dit is een kerngebied van het AGN waarin materie door de jets naar buiten wordt geblazen en de corona omhult.
Geen gammastraling gedetecteerd
"De [gammastraal]-fotonen die onvermijdelijk samen met de neutrino's worden geproduceerd, verliezen energie in de dichte kern en komen bij lagere energieën tevoorschijn", legt hij uit. "Dit wordt onderstreept door het feit dat de NASA Fermi [gamma-ray]-satelliet de bron niet detecteert in het energiebereik van de gedetecteerde neutrino's."
De conventionele opvatting is dat de meeste deeltjes en straling die door een AGN worden uitgezonden, afkomstig zijn van de hete accretieschijf, maar er zijn steeds meer twijfels over de juistheid van dit thermische emissiemodel. Andy Laurentius van de Universiteit van Edinburgh wijst erop dat sommige AGN's een variabele helderheid hebben, en deze fluctuaties treden te snel op om te worden geassocieerd met veranderingen in de accretieschijf. Lawrence, die niet betrokken is bij de IceCube-samenwerking, voegt toe: "Het kan zijn dat een meer geavanceerde schijftheorie plus bijbehorende niet-thermische emissie in de schijfcorona of jet de slag kan slaan."
Deze laatste waarneming door IceCube lijkt inderdaad het idee te ondersteunen dat deeltjesversnelling plaatsvindt in de corona van de AGN in plaats van in de accretieschijf.
Volgende generatie
Hoewel het mysterie van hoe deeltjes worden versneld in een AGN niet kan worden opgelost met deze 79 neutrino's, en een upgrade van de detector genaamd IceCube Generatie 2 moet in 2033 klaar zijn.
IceCube identificeert vier sterrenstelsels als mogelijke bronnen van kosmische straling
Halzen zegt dat Generatie 2 is ontworpen om neutrinobronnen zoals AGN's te bestuderen. "De detector zal meer dan acht keer het volume van IceCube hebben en, belangrijker nog, ook een betere hoekresolutie. De combinatie van de twee zal detecties mogelijk maken met een jaar aan gegevens in plaats van een decennium zoals nu het geval is.”
Messier 77 is een goed bestudeerd sterrenstelsel door zowel amateur- als professionele astronomen. Als we begrijpen hoe het energierijke neutrino's produceert, zou M 77 daarom een Rosetta-steen kunnen worden om andere actieve sterrenstelsels te begrijpen.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.
