Vadászat szellemrészecskékre erőteljes gammavillanásokban

3644

A világegyetem legerőteljesebb robbanásai a gammasugár-kitörések. A részecskeplazmából álló tűzlabdát kilövellő jet jelentősen felgyorsítja a részecskéket. A gammasugár-kitörésekről azt gondolják, hogy kompakt égitestek, neutroncsillagok vagy csillagtömegű fekete lyukak összeolvadásából származnak (ezeket hívjuk rövid gammasugár-kitörésnek, amelyek legfeljebb két másodpercesek), vagy magösszeomláson átesett szupernóvákból (ezek a hosszú gammasugár-kitörések, amelyek két másodpercnél hosszabb ideig is tartanak). A gammakitörések a legerősebb részecskegyorsítók az univerzumban, és rendkívül hasznosak a részecskék közötti kölcsönhatások tanulmányozásában, valamint új részecskék felfedezését is lehetővé teszik.

Egy részecskesugár illusztrációja, amelyet egy nagy tömegű csillag felrobbanása bocsátott ki. A gammasugár-kitörések előidézhetnek ilyen részecskesugarakat. (NASA/Swift/Cruz deWilde)

Egy kutatócsoport nemrég gammasugár-kitöréseket vizsgált, hogy kiderüljön, lehetnek-e a neutrínóknak nevezett szellemrészecskék forrásai. A neutrínók ritkán lépnek kölcsönhatásba más részecskékkel, ezért nagyon nehéz őket detektálni – olyanok, mint a szellemek. Az IceCube Neutrínó Obszervatórium érzékeli a neutrínókat, de nem képes lokalizálni, hogy honnan érkeznek. Mivel a gamma-kitörések során neutrínók keletkeznek, a kutatók átvizsgálták az IceCube adatait, hogy lássák, volt-e olyan nagy energiájú neutrínókitörés, amely egyidőben történt egy gammasugár-kitöréssel.

A kutatók az IceCube legérzékenyebb neutrínódetektora, a DeepCore által megfigyelt 2268 kitörésben kerestek neutrínó-egybeeséseket. Minden egyes időablakot egyenként és kombinálva is átvizsgáltak, hogy olyan halvány jeleket is észrevegyenek, amelyek esetleg az egyes időablakokban nem láthatóak, de együtt felfedhetik az összefüggést a neutrínók és a gammasugár-kitörések között.

A kutatók először meghatározták az egyes kitöréseket megelőző és azokat követő időablakokat, amelyekben neutrínók után kutattak. Mivel a neutrínók ritkán lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, könnyedén kiáramolhatnak a poros térségekből, ahonnan a fotonok csak nehezen szabadulnak ki. Ez azt jelenti, hogy a neutrínóknak előbb kell a Földre érkezniük, mint a gamma-emissziónak és más fotonoknak. A kutatók átvizsgálták az egész égboltot, és felmérték, hogy egy forrás helyéről milyen valószínűséggel érkezik több neutrínó a kozmikus neutrínó-háttérhez képest.

A kezdeti gammasugár-kitörés emissziók időtartamainak hisztogramja a kutatásban vizsgált 2268 gammasugár-kitörésre vonatkozóan. A szakcikkben vizsgált időablakokat piros nyíllal jelölték. (IceCube Collaboration et al. 2024)

A kutatók ezután azokat a gammasugár-kitöréseket vizsgálták meg, amelyek térben és időben kapcsolatba hozhatók neutrínó-eseményekkel. Az ide tartozó összes esemény kitörés–neutrínó egybeesésének valószínűségét megvizsgálták. Így lehetővé vált a gammasugár-kitörések és a neutrínók közötti összefüggések felfedezése még akkor is, ha az események külön-külön nem voltak azonosíthatóak. A kutatók ezzel a módszerrel nem találtak egy olyan neutrínócsoportot sem, amely statisztikailag szignifikánsabb lett volna, mint az egyedi neutrínók, amelyek éppen egy gamma-kitörési időablakba esnek.

Az első keresés győztes kitörése, vagyis a legjelentősebb neutrínó–gammakitörés korreláció a GBR bn 140807500 volt. (Mivel számos gammasugár-kitörést a Fermi-GBM-hez és a Swift-BAT-hez hasonló kitöréskutató műszerek fedeztek fel, nagyon nehézkes volna mindegyiknek egyedi nevet adni. Ezért a kitörések egy számot kapnak, amiből megismerhetjük a felfedezés időpontját.) A kitöréssel kapcsolatba hozható neutrínó-esemény 100 másodpercen belülre esik a GRB bn 140807500-hoz képest, és p-értéke, vagyis annak a valószínűsége, hogy az egybeesés csak a véletlen műve, csupán 4,6 x 10-5. (A kis p-érték azt jelenti, hogy a neutrínók nagy eséllyel a gammasugár-kitörésből származnak.)

Első látásra tehát úgy tűnik, hogy ebben az esetben a neutrínó-kibocsátás a gammasugár-kitörésből származik. Így azonban nem vesszük figyelembe a véletlen szerepét, vagyis annak a statisztikai valószínűségét, hogy ha elég sok gammasugár-kitörést és neutrínó-eseményt vizsgálunk meg, akkor lesznek köztük olyanok, amelyek térben és időben véletlenszerűen egybeesnek. Ennek figyelembe vételével a kutatók már sokkal nagyobb, 0,097-es p-értékhez jutottak, ami azt jelenti, hogy egy a tízhez annak az esélye, hogy a gammasugár-kitörés és a neutrínó-kibocsátás nem kapcsolódik egymáshoz. A részecskefizikában általában 3 x 10-7 –es p-értékre van szükség ahhoz, hogy az eseményeket korrelálónak nevezzük.

A szakcikk írásának idején fedezték fel minden idők legfényesebb gammasugár-kitörését. A kutatók ezt a gammavillanást nem tették be közvetlenül a vizsgált kitörések közé, de tettek néhány előrejelzést arra vonatkozóan, hogy mennyiben fog hasonlítani a többi gammakitöréshez. Minden idők legfényesebb gammavillanása, a GRB 221009A olyan fényes volt, hogy a kutatócsoport számításai szerint a várt neutrínójel a kutatásban vizsgált 2264 gammakitörés összes várt neutrínójelének 6–8-szorosa lesz. Ennek az az oka, hogy minden idők legfényesebb gammavillanása sokkal erősebb gammasugárzást bocsát ki, mint más források, és ezt nagy energiájú neutrínók árama kíséri. Eredetük az égbolton sokkal pontosabban lokalizálható, mint az alacsonyabb energiájú neutrínóké más gammasugár-kitöréseknél. Ez azt jelenti, hogy biztosabban tudjuk a megfigyelt neutrínókat a kitörés helyéhez kötni.

A kutatásban vizsgált 2264 gammasugár-kitörés becsült neutrínófluxusa (egy adott területen észlelt adott energiájú neutrínók száma) együttesen (kék) összehasonlítva minden idők legfényesebb gammasugár-kitörésével (narancs). (A kutatók a tanulmányban vizsgált kitörések közül négyet kizártak ebből az elemzésből.) (IceCube Collaboration et al. 2024)

Még további vizsgálatokat igényel, hogy megtudjuk, vannak-e olyan neutrínó-események, amelyek minden idők legfényesebb gammasugár-kitöréséből származnak, de úgy tűnik, hogy az esély megvan rá, legalábbis nem mondhatjuk biztosan, hogy gammavillanást nem kísérhet neutrínó-kibocsátás. A világegyetem sokszor a legfényesebb gammakitöréshez hasonló, meglepő eseményekkel kényezteti a csillagászokat. Általuk könnyebben vizsgálhatjuk az univerzum nagy energiájú folyamatait. A Fermi-GBM és a Swift-BAT obszervatóriumoknak köszönhetően pedig még több kitörést és robbanást figyelhetünk meg, mint korábban, így pedig a gammasugár-kitörések hatalmas adatbázisához jutunk, ami csak arra vár, hogy tanulmányozzuk.

Forrás: AAS Nova

Hozzászólás

hozzászólás