&kule; Fysikk 15, 77
Forskere har funnet nye bevis på at høyenerginøytrinoer sendes ut når et svart hull sluker en ulykkelig stjerne.
NASA/CXC/M.Weiss
Nøytrinoer med ekstremt høy energi rammer jorden rutinemessig. Fysikere mistenker at disse partiklene er skapt i kosmiske prosesser som involverer sorte hull, men nøyaktig hvilken prosess som dominerer denne produksjonen er fortsatt usikkert. Nå rapporterer astronomer påvisningen av en høyenerginøytrino knyttet direkte til en tidevannsforstyrrelseshendelse (TDE) – den voldsomme makuleringen av en stjerne ved den intense tyngdekraften til et nærliggende svart hull [1]. Denne observasjonen er den andre sterke assosiasjonen av en høyenerginøytrino til en slik stjernefortærende hendelse, som lar forskere gjøre et grovt innledende estimat av hvor mange nøytrinoer som produseres gjennom denne mekanismen.
Høyenerginøytrinoer – omtrent de i TeV-energiområdet og over – gir fysikere informasjon om noen av de mest voldelige astrofysiske hendelsene i universet, mange som skjer langt utenfor galaksen vår. Fordi nøytrinoer samhandler med materie så svakt, reiser de uendret over enorme avstander fra sine opprinnelige produksjonssteder. Teoretiske modeller – støttet av observasjoner – har knyttet dem til en lang rekke potensielle kilder, inkludert aktive galaktiske kjerner, som er supermassive sorte hull som produserer stråler av energiske partikler når de sluker omkringliggende gass. TDE-er tilbyr en annen mulighet, ettersom rikelige nøytrinoer bør genereres hvis et svart hull river i stykker en nærliggende stjerne i bane (se Forskningsnyheter: “Revolusjon” for alternativ svart hullsonde). De fleste generasjonsscenarier involverer store sorte hull.
Foreløpig er imidlertid forskere fortsatt ute av stand til å estimere den relative betydningen av disse distinkte prosessene. For eksempel er aktive galaktiske kjerner langt mer vanlige enn TDE, men sistnevnte kan avgi en svært høy prosentandel av energien som nøytrinoer. Som et resultat, “Vi vet egentlig ikke hvor flertallet av høyenergiske kosmiske nøytrinoer kommer fra,” sier fysiker Marek Kowalski ved Humboldt-universitetet i Tyskland. Å kjenne til nøytrino-opprinnelsen vil hjelpe forskere til å forstå de ekstreme astrofysiske hendelsene som genererer noen av de mest energiske kosmiske strålene i universet.
I fjor rapporterte Kowalski og hans kolleger den første tilfeldighetsdeteksjonen av en nøytrino og en TDE [2]. Nøytrinoen ble oppdaget av IceCube Neutrino Observatory – en rekke detektorer begravd dypt inne i isen nær Sydpolen. Forskerne fant at nøytrinoens plassering på himmelen tilsvarte et langvarig utbrudd av stråling som viste TDE-signaturer i arkiverte astronomiske data.
DESY, Science Communication Lab
I tillegg til dette tidligere funnet, rapporterer Kowalski og kollegene nå å finne en andre TDE nært knyttet til en annen nøytrino, som ble oppdaget 30. mai 2020 av IceCube. Forskerne oppdaget foreningen ved å bruke datamaskiner til å sortere gjennom en database med astronomiske observasjoner samlet inn av Zwicky Transient Facility, California, som bruker et optisk kamera med bred visning for å skanne hele Northern Sky annenhver dag. I søket deres oppdaget teamet en hendelse kalt AT2019fdr fra november 2019, som var nært forbundet med den mest sannsynlige retningen til høyenerginøytrinoen. Ved å utnytte data fra andre teleskoper identifiserte de også spesifikke strålingssignaturer som forventes for en TDE.
Denne assosiasjonen er sterke bevis, hevder forskerne, at denne nøytrinoen ble skapt under en årelang strålingsflamme utgitt av svart-hull-stjerne-interaksjonen. Basert på en foreløpig statistisk analyse anslår de at det bare er 0,034 % sannsynlighet for at nøytrinoens retning bare skjedde ved en tilfeldighet for å matche retningen til TDE. Men de sier at videre arbeid med å lokalisere nøytrinoretningen kan endre dette estimatet.
“Dette er absolutt et viktig resultat,” sier astrofysiker Nicholas Stone ved Racah Institute of Physics i Israel. Han sier at den første observerte assosiasjonen ga troverdighet til at TDE-er var kilder for høyenerginøytrinoer, men det var vanskelig å være trygg med bare én hendelse. “Med en andre nøytrino-TDE-assosiasjon er vi nå på mye fastere fot.”
Denne andre deteksjonen gjør mer enn bare å styrke tilliten til den tidligere deteksjonen, sier teammedlem Simeon Reusch, en Ph.D. elev av Kowalski’s. Det muliggjør også et grovt estimat av TDE-bidraget til høyenergi-nøytrinoproduksjon. Ved å sammenligne disse to observasjonene med hele katalogen over kosmiske nøytrinoer oppdaget av IceCube-observatoriet, konkluderer forskerne med at minst 7,8 % av høyenerginøytrinoer må komme fra TDE. “Fordi tidevannsforstyrrelser er så sjeldne, indikerer funnene våre at de sannsynligvis er ekstremt effektive nøytrinofabrikker,” sier Kowalski.
– Mark Buchanan
Mark Buchanan er en frilans vitenskapsskribent som deler tiden sin mellom Abergavenny, Storbritannia og Notre Dame de Courson, Frankrike.
Referanser
- S. Reusch et al.“Kandidat tidevannsforstyrrelseshendelse AT2019fdr sammenfaller med en høyenerginøytrino,” Phys. Rev. Lett. 128221101 (2022).
- R. Stein et al.“En tidevannsavbrudd hendelse sammenfallende med en høyenerginøytrino,” Nat. Astron. 5510 (2021).