Høyenergi-nøytrinoer fra den aktive galaktiske kjernen (AGN) i hjertet av Messier 77-galaksen har blitt oppdaget av IceCube-nøytrinoobservatoriet. Også kjent som NGC 1068, har galaksen et supermassivt sort hull, og observasjonene åpner et vindu inn i de voldsomme prosessene som antas å skape kosmiske stråler.
Nøytrinoer er unnvikende partikler som knapt samhandler med annen materie og lett kan passere rett gjennom jorden. Isbit bruker en kubikkkilometer med is under Sydpolen for å observere ekstremt sjeldne kollisjoner mellom kosmiske nøytrinoer og vannmolekyler. Disse interaksjonene produserer raskt bevegelige ladede partikler som skaper lysglimt i isen kalt Cherenkov-stråling. Lyset fanges opp av et nettverk av mer enn 5000 detektorer i isen, slik at fysikere som jobber i IceCube Collaboration kan finne ut hvor nøytrinoene har kommet fra.
IceCube annonserte det første observasjoner av kosmiske nøytrinoer med høy energi i 2013 og fem år senere gjorde den den første oppdagelsen av en kosmisk høyenerginøytrino fra en type AGN kalt blazar.
Nå rapporterer IceCube-forskere om deres største fangst av høyenerginøytrinoer noensinne. Dette er 79 partikler fra M77, som er en galakse som er 47 millioner lys-år unna. Observasjonene ble registrert mellom mai 2011 og mai 2020, og samarbeidet regner med at nøytrinoene dukket opp fra kjernen av M77s AGN, som ellers er skjult for vårt syn av en tykk torus av støv og gass.
Kosmisk stråleforbindelse
Astrofysikere tror at de 79 høyenerginøytrinoene ble skapt når ladede partikler som protoner akselereres til høye energier av magnetiske felt i AGN. Noen av disse akselererte partiklene vil unnslippe det sorte hullet og bli til kosmiske stråler. Andre vil kollidere med partikler eller fotoner i AGN for å produsere en snert av mesoner. Disse mesonene forfaller deretter raskt til gammastråler og nøytrinoer. I M77 blir gammastrålene dempet av galaksens støvete torus, men de fleste av nøytrinoene passerer uhindret – noen når til slutt Jorden.
Det er svært sannsynlig at partikkelakselerasjonen involverer de kraftige, vridende magnetfeltene som finnes i en AGN. Det er imidlertid ikke klart hvor denne magnetiske akselerasjonen skjer. Mulige steder inkluderer akkresjonsskiven av materie som virvler inn i det supermassive sorte hullet eller den glødende koronaen, som er det veldig varme området umiddelbart rundt det sorte hullet. En annen mulighet er at akselerasjonen skjer i materiestrålene som blåser ut av AGN i retninger vinkelrett på akkresjonsskiven.
Frances Halzen fra University of Wisconsin, Madison, som leder IceCube Collaboration, forteller Fysikkens verden at observasjonene avslører at nøytrinoene kommer fra en region av AGN som kalles "kokongen", dette er en kjerneregion i AGN der materie blåses utover av strålene og omslutter koronaen.
Ingen gammastråler oppdaget
"[gamma-ray]-fotonene som uunngåelig produseres sammen med nøytrinoene mister energi i den tette kjernen og kommer frem ved lavere energier," forklarer han. "Dette understrekes av det faktum at NASA Fermi [gamma-ray] satellitt ikke oppdager kilden i energiområdet til nøytrinoene som er oppdaget."
Det konvensjonelle synet er at de fleste partikler og stråling som sendes ut av en AGN stammer fra den varme akkresjonsskiven, men det har vokst tvil om sannheten til denne termiske utslippsmodellen. Andy Lawrence fra University of Edinburgh påpeker at noen AGN-er har variabel lysstyrke, og disse svingningene skjer for raskt til å være assosiert med endringer i akkresjonsskiven. Lawrence, som ikke er involvert i IceCube-samarbeidet, legger til "Det kan være at en mer sofistikert plateteori pluss medfølgende ikke-termisk utslipp i skivekoronaen eller strålen kan gjøre susen."
Denne siste observasjonen av IceCube ser ut til å støtte ideen om at partikkelakselerasjon skjer i koronaen til AGN i stedet for i akkresjonsskiven.
Neste generasjon
Selv om mysteriet om hvordan partikler akselereres i en AGN ikke kan løses med disse 79 nøytrinoene, og oppgradering av detektoren kalles IceCube generasjon 2 skal være ferdig innen 2033.
IceCube identifiserer fire galakser som sannsynlige kilder til kosmiske stråler
Halzen sier at generasjon 2 er designet for å studere nøytrinokilder som AGN. "Detektoren vil ha mer enn åtte ganger volumet av IceCube og, viktigere, bedre vinkeloppløsning også. Kombinasjonen av de to vil tillate deteksjoner med et års data i stedet for et tiår, slik tilfellet er nå."
Messier 77 er en godt studert galakse av både amatører og profesjonelle astronomer. Å forstå hvordan den produserer nøytrinoer med høy energi kan derfor tillate M77 å bli en Rosetta-stein for å forstå andre aktive galakser.
Forskningen er beskrevet i Vitenskap.
