Neutrina wysokoenergetyczne z aktywnego jądra galaktycznego (AGN) w sercu galaktyki Messier 77 zostały wykryte przez obserwatorium neutrin IceCube. Galaktyka, znana również jako NGC 1068, jest schronieniem supermasywnej czarnej dziury, a obserwacje otwierają okno na gwałtowne procesy, które, jak się uważa, wytwarzają promieniowanie kosmiczne.
Neutrina to nieuchwytne cząstki, które ledwo oddziałują z inną materią i mogą z łatwością przejść przez Ziemię. Kostka lodu wykorzystuje kilometr sześcienny lodu pod biegunem południowym, aby zaobserwować niezwykle rzadkie zderzenia między kosmicznymi neutrinami a cząsteczkami wody. Oddziaływania te wytwarzają szybko poruszające się naładowane cząstki, które wytwarzają błyski światła w lodzie zwane promieniowaniem Czerenkowa. Światło jest przechwytywane przez sieć ponad 5000 detektorów w lodzie, co pozwala fizykom pracującym w ramach współpracy IceCube dowiedzieć się, skąd pochodzą neutrina.
IceCube ogłosił swoje pierwsze obserwacje wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych w 2013 roku i pięć lat później dokonała pierwszego w historii wykrycia kosmiczne wysokoenergetyczne neutrino z rodzaju AGN zwanego blazar.
Teraz naukowcy z IceCube donoszą o swoim największym w historii wydobyciu neutrin wysokoenergetycznych. To 79 cząstek z M77, czyli galaktyki, która ma 47 milionów światła-lat. Obserwacje zostały zarejestrowane między majem 2011 a majem 2020, a współpraca szacuje, że neutrina wyłoniły się z jądra AGN M77, które skądinąd jest ukryte przed naszym wzrokiem przez gruby torus pyłu i gazu.
Połączenie promieniowania kosmicznego
Astrofizycy uważają, że 79 wysokoenergetycznych neutrin powstało, gdy naładowane cząstki, takie jak protony, są przyspieszane do wysokich energii przez pola magnetyczne w AGN. Niektóre z tych przyspieszonych cząstek uciekną z czarnej dziury i staną się promieniami kosmicznymi. Inne zderzają się z cząstkami lub fotonami w AGN, tworząc niewielką ilość mezonów. Te mezony szybko rozpadają się na promienie gamma i neutrina. W M77 promienie gamma są tłumione przez pyłowy torus galaktyki, ale większość neutrin przechodzi przez nią bez przeszkód – niektóre w końcu docierają do Ziemi.
Jest bardzo prawdopodobne, że przyspieszenie cząstek wiąże się z silnymi, skręconymi polami magnetycznymi, które istnieją w AGN. Nie jest jednak jasne, gdzie występuje to przyspieszenie magnetyczne. Możliwe lokalizacje obejmują dysk akrecyjny materii, który wiruje w supermasywnej czarnej dziurze lub świecącej koronie, która jest bardzo gorącym regionem bezpośrednio otaczającym czarną dziurę. Inną możliwością jest to, że przyspieszenie występuje w dżetach materii wyrzucanych z AGN w kierunkach prostopadłych do dysku akrecyjnego.
Franciszka Halzena z University of Wisconsin, Madison, która kieruje współpracą IceCube, mówi Świat Fizyki że obserwacje ujawniają, że neutrina pochodzą z regionu AGN zwanego „kokonem”, jest to rdzeń AGN, w którym materia jest wydmuchiwana na zewnątrz przez dżety i otacza koronę.
Nie wykryto promieni gamma
„Fotony [promieni gamma], które są nieuchronnie produkowane wraz z neutrinami, tracą energię w gęstym jądrze i pojawiają się przy niższych energiach” – wyjaśnia. „Podkreśla to fakt, że satelita NASA Fermi [promieni gamma] nie wykrywa źródła w zakresie energii wykrytych neutrin”.
Konwencjonalny pogląd jest taki, że większość cząstek i promieniowania emitowanego przez AGN pochodzi z gorącego dysku akrecyjnego, jednak narastają wątpliwości co do prawdziwości tego termicznego modelu emisji. Andy'ego Lawrence'a z Uniwersytetu w Edynburgu wskazuje, że niektóre AGN mają zmienną jasność, a te fluktuacje zachodzą zbyt szybko, aby można je było powiązać ze zmianami w dysku akrecyjnym. Lawrence, który nie jest zaangażowany we współpracę z IceCube, dodaje: „Może być tak, że bardziej zaawansowana teoria dysku plus towarzysząca emisja nietermiczna w koronie dysku lub dżecie może załatwić sprawę”.
Rzeczywiście, ta ostatnia obserwacja IceCube wydaje się potwierdzać ideę, że przyspieszenie cząstek występuje w koronie AGN, a nie w dysku akrecyjnym.
Następne pokolenie
Chociaż zagadki, w jaki sposób cząstki są przyspieszane w AGN, nie można rozwiązać za pomocą tych 79 neutrin, aktualizacja detektora nazwana IceCube Generacja 2 powinna zostać ukończona do 2033 roku.
IceCube identyfikuje cztery galaktyki jako prawdopodobne źródła promieniowania kosmicznego
Halzen mówi, że Generacja 2 została zaprojektowana do badania źródeł neutrin, takich jak AGN. „Detektor będzie miał ponad ośmiokrotnie większą objętość niż IceCube, a także, co ważne, lepszą rozdzielczość kątową. Połączenie tych dwóch pozwoli na detekcje z danymi rocznymi, a nie dziesięcioletnimi, jak ma to miejsce obecnie”.
Messier 77 to dobrze zbadana galaktyka zarówno przez amatorów, jak i profesjonalnych astronomów. Zrozumienie, w jaki sposób wytwarza neutrina o wysokiej energii, może zatem pozwolić M77 stać się kamieniem z Rosetty do zrozumienia innych aktywnych galaktyk.
Badania opisano w nauka.
