Az IceCube Neutrino Observatory által megfigyelt nagy energiájú neutrínótöbblet forrásának rejtélye régóta foglalkoztatja a csillagászokat és fizikusokat egyaránt. Váratlanul nagy mennyiségükre a 2020. június 30-án a Physical Review Letters nemzetközi tudományos folyóiratban megjelent új tanulmányban bemutatott modell segíthet választ adni. Az új elmélet szerint a titokzatos neutrínók az aktív galaxisok magjaiban található, szupernagy tömegű fekete lyukakból származhatnak.
A neutrínók olyan szubatomi részecskék, amelyek tömege szinte nulla, és nagyon ritkán hatnak kölcsön bármilyen más anyaggal. A nagy energiájú neutrínók olyan kozmikus részecskegyorsítókban jönnek létre, amelyek valamilyen extrém asztrofizikai objektumok, például fekete lyukak vagy neutroncsillagok. Keletkezésüket gamma-sugárzás, alacsonyabb energiákon más elektromágneses sugárzás, sőt olykor gravitációs hullámok kísérik – emiatt arra számítunk, hogy ezek a változatos „kozmikus hírnökök” valamilyen módon korreláljanak egymással. Meglepő módon azonban az IceCube adatai szerint a 100 TeV-nál kisebb energiájú neutrínókból többet észleltek, mint a Fermi Gamma-ray Space Telescope űrtávcsővel mért, a megfelelő nagy energiájú gamma-sugárzásból.
A kutatók sok különböző kozmikus jelet észlelve és kombinálva tanulmányozzák az Univerzumot, illetve rakosgatják össze a fejlődését, mint valamilyen óriási kirakójátékot (a kutatási területre „multimessenger astronomy” néven is szokás hivatkozni az angol irodalomban, amit magyarul legtöbbször többcsatornás csillagászatnak hívunk). A neutrínókat létrehozó extrém kozmikus események, például csillagrobbanások, vagy szupernagy tömegű fekete lyukakból kilövellő anyagáramok (jetek) esetén is ilyen módszerrel találták meg a távoli forrásokat; minden egyes újabb méréssel pedig további részleteket tudunk meg a jelenségről.
A 100 TeV energiatartomány feletti kozmikus neutrínók mennyisége úgy tűnik, hogy összhangban van a nagy energiájú gamma-sugárzással és ultranagy energiájú kozmikus sugarakkal (tehát beleillik a multimessenger képbe). Egyre inkább úgy látszik azonban, hogy a 100 TeV alatti energiájú neutrínókból olyan többlet mutatkozik, amelyet eddig nem sikerült megmagyarázni. Az IceCube Neutrino Observatory legfrissebb eredményei is a nagy energiájú neutrínók többletét mutatták az egyik legfényesebb aktív galaxis, az NGC 1068 (Messier 77, vagy M77) irányából.
A tanulmány vezető szerzője, Kohta Murase magyarázata alapján tudjuk, hogy a nagy energiájú neutrínóforrások gamma-sugarakat is bocsátanak ki, így a kérdés, hol a hiányzó sugárzás? A nagy energiájú gamma-tartományban valahogy nem látjuk őket. Ilyen forrásokra a legjobb jelöltjeink valamilyen sűrű területek, ahonnan a neutrínók gond nélkül elszöknek, a gamma-sugarak viszont a környezettel való kölcsönhatásuk miatt nem képesek kilépni. Modelljük szerint a szupernagy tömegű fekete lyukak ideális forrásaik lehetnek, és meg tudják magyarázni a 100 TeV alatti tartományban mért neutrínótöbbletet.
Az eredményeik szerint a galaxisok középpontjában található fekete lyuk koronája (elképesztően forró plazma, amely a csillagokat és más égitesteket körbeveszi) lehet egy ilyen potenciális forrás. A Nap körül, például fogyatkozások idején látható koronához hasonlóan úgy vélik, hogy a fekete lyukakat körülvevő akkréciós korong körül is található ilyen régió, amelyet a lyuk gravitációs hatása alakít ki. Ez a terület extrém forró, mintegy 1 milliárd (!) kelvin hőmérsékletű, mágnesezett és turbulens. Ilyen környezetben a részecskék felgyorsulnak, ami neutrínókat és gamma-sugarakat létrehozó ütközésekhez vezet – azonban a régió túl sűrű ahhoz, hogy a nagy energiájú gamma-sugarak kijussanak belőle.
A modell előrejelzései szerint a hiányzó gamma-sugárzást a lágygamma tartományban találnánk meg. A nagy energiájú gamma-sugarakat a sűrű környezet blokkolja, de nem ér még itt véget a történet, mert sorozatos ütközésekkel idővel alacsonyabb energiákra jutva, a megaelektronvolt tartományban lágy sugárzásként távoznának a csillagközi térbe. A legtöbb létező gamma-sugárzás-detektor, mint a Fermi Gamma-ray Space Telescope viszont nem úgy van beállítva, hogy ezeket detektálja.
Már tervezik olyan műszerek építését, amelyekkel az ilyen lágy gamma-sugárzást észlelnék, illetve a neutrínódetektorok következő generációja, a KM3Net és az IceCube-Gen2 is érzékenyebb lesz. A kutatócsoportban Murase mellett Shigeo S. Kimura, illetve Mészáros Péter (Eberly Chair professzor emeritus) is részt vesz. Az új detektorokkal az NGC 1068 galaxist és más, fényes aktív galaxisokat célba véve meg lehet majd vizsgálni, helyes-e a modell, valóban ezek az objektumok-e a titokzatos neutrínók forrásai.
Forrás: PSU