Các neutrino năng lượng cao từ nhân thiên hà đang hoạt động (AGN) ở trung tâm của thiên hà Messier 77 đã được đài quan sát neutrino IceCube phát hiện. Còn được gọi là NGC 1068, thiên hà đang chứa một lỗ đen siêu lớn và các quan sát mở ra một cánh cửa cho các quá trình dữ dội được cho là tạo ra các tia vũ trụ.
Neutrino là những hạt khó nắm bắt, hầu như không tương tác với vật chất khác và có thể dễ dàng đi thẳng qua Trái đất. khối băng sử dụng một kilômét khối băng bên dưới Nam Cực để quan sát những va chạm cực hiếm giữa neutrino vũ trụ và phân tử nước. Những tương tác này tạo ra các hạt tích điện chuyển động nhanh tạo ra các tia sáng trong băng gọi là bức xạ Cherenkov. Ánh sáng được bắt bởi một mạng gồm hơn 5000 máy dò trong băng, cho phép các nhà vật lý làm việc trong Tổ chức hợp tác IceCube tìm ra nguồn gốc của neutrino.
IceCube đã công bố những quan sát đầu tiên về neutrino vũ trụ năng lượng cao vào năm 2013 và năm năm sau, nó đã lần đầu tiên phát hiện ra một neutrino năng lượng cao vũ trụ từ một loại AGN gọi là blazar.
Giờ đây, các nhà khoa học của IceCube đang báo cáo lượng neutrino năng lượng cao lớn nhất từ trước đến nay của họ. Đây là 79 hạt từ M77, một thiên hà có 47 triệu ánh sáng–năm xa. Các quan sát được ghi lại trong khoảng thời gian từ tháng 2011 năm 2020 đến tháng 77 năm XNUMX và nhóm cộng tác cho rằng các neutrino xuất hiện từ lõi AGN của MXNUMX, mặt khác bị che khuất khỏi tầm nhìn của chúng ta bởi một vòng bụi và khí dày.
Kết nối tia vũ trụ
Các nhà vật lý thiên văn tin rằng 79 neutrino năng lượng cao được tạo ra khi các hạt tích điện như proton được gia tốc đến năng lượng cao bởi từ trường bên trong AGN. Một số hạt được gia tốc này sẽ thoát khỏi hố đen và trở thành tia vũ trụ. Những hạt khác sẽ va chạm với các hạt hoặc photon bên trong AGN để tạo ra các meson rải rác. Những meson này sau đó phân hủy nhanh chóng thành tia gamma và neutrino. Trong M77, các tia gamma bị suy giảm bởi hình xuyến bụi của thiên hà, nhưng hầu hết các neutrino đi qua không bị cản trở – với một số cuối cùng đến Trái đất.
Rất có khả năng gia tốc hạt liên quan đến từ trường xoắn mạnh tồn tại trong AGN. Tuy nhiên, không rõ gia tốc từ tính này xảy ra ở đâu. Các vị trí có thể bao gồm đĩa bồi tụ vật chất xoáy vào lỗ đen siêu lớn hoặc corona phát sáng, là khu vực rất nóng ngay lập tức bao quanh lỗ đen. Một khả năng khác là gia tốc xảy ra trong các tia vật chất bắn ra khỏi AGN theo hướng vuông góc với đĩa bồi tụ.
Pháp Halzen của Đại học Wisconsin, Madison, người lãnh đạo Cộng tác IceCube, nói Thế giới vật lý rằng các quan sát tiết lộ rằng các hạt neutrino đến từ một vùng của AGN được gọi là “kén”, đây là vùng lõi của AGN trong đó vật chất bị các tia phóng ra ngoài và bao phủ vành nhật hoa.
Không phát hiện thấy tia gamma
Ông giải thích: “Các photon [tia gamma] chắc chắn được tạo ra cùng với neutrino sẽ mất năng lượng trong lõi dày đặc và xuất hiện ở mức năng lượng thấp hơn. “Điều này được nhấn mạnh bởi thực tế là vệ tinh Fermi [tia gamma] của NASA không phát hiện ra nguồn trong dải năng lượng của neutrino được phát hiện.”
Quan điểm thông thường cho rằng hầu hết các hạt và bức xạ do AGN phát ra đều bắt nguồn từ đĩa bồi tụ nóng, tuy nhiên, ngày càng có nhiều nghi ngờ về tính xác thực của mô hình phát xạ nhiệt này. Andy Lawrence của Đại học Edinburgh chỉ ra rằng một số AGN có độ sáng thay đổi và những dao động này xảy ra quá nhanh để có thể liên quan đến những thay đổi trong đĩa bồi tụ. Lawrence, người không tham gia vào sự hợp tác của IceCube, cho biết thêm “Có thể một lý thuyết đĩa phức tạp hơn cộng với sự phát xạ phi nhiệt đi kèm trong corona hoặc tia phản lực của đĩa có thể thực hiện được điều đó.”
Thật vậy, quan sát mới nhất này của IceCube dường như ủng hộ ý tưởng rằng gia tốc hạt xảy ra trong vành nhật hoa của AGN chứ không phải trong đĩa bồi tụ.
Thế hệ tiếp theo
Mặc dù bí ẩn về cách các hạt được gia tốc trong AGN không thể giải được với 79 neutrino này, và việc nâng cấp máy dò được gọi là IceCube thế hệ 2 phải được hoàn thành vào năm 2033.
IceCube xác định bốn thiên hà có khả năng là nguồn phát ra tia vũ trụ
Halzen nói rằng Thế hệ 2 đã được thiết kế để nghiên cứu các nguồn neutrino như AGN. “Máy dò sẽ có thể tích gấp tám lần IceCube và quan trọng là độ phân giải góc cũng tốt hơn. Sự kết hợp của cả hai sẽ cho phép phát hiện với một năm dữ liệu thay vì một thập kỷ như trường hợp hiện nay.”
Messier 77 là một thiên hà đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi các nhà thiên văn nghiệp dư cũng như chuyên nghiệp. Do đó, việc hiểu cách nó tạo ra neutrino năng lượng cao có thể cho phép M77 trở thành Viên đá Rosetta để hiểu các thiên hà đang hoạt động khác.
Nghiên cứu được mô tả trong Khoa học.
