Οι φυσικοί τελικά βρήκαν τις πηγές αρκετών κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας, κι αυτό θα βοηθήσει στην εξερεύνηση της θεμελιώδους φυσικής
Από τα 100 τρισεκατομμύρια νετρίνα που περνούν από το σώμα μας κάθε δευτερόλεπτο, τα περισσότερα προέρχονται από τον ήλιο ή από τις αλληλεπιδράσεις των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα της Γης. Υπάρχουν όμως κι άλλα νετρίνα, με πολύ μεγαλύτερες ενέργειες, που φτάνουν στη Γη από πηγές που βρίσκονται πολύ πιο μακριά. Για δεκαετίες, οι αστροφυσικοί αναζητούσαν την προέλευση αυτών των «κοσμικών» νετρίνων. Τώρα, το Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube διαθέτει αρκετά πειραματικά δεδομένα που αποκαλύπτουν την προέλευσή τους.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε χτες στο περιοδικό Science [Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane], παρουσιάζεται ο πρώτος χάρτης νετρίνων του Γαλαξία μας (συνήθως ο γαλαξίας μας χαρτογραφείται με τα σωματίδια του φωτός, τα φωτόνια). Ο νέος χάρτης δείχνει μια διάχυτη ομίχλη κοσμικών νετρίνων που προέρχονται από όλο τον Γαλαξία μας, αλλά περιέργως, δεν διακρίνονται μεμονωμένες πηγές. «Αποτελεί ένα μυστήριο», δήλωσε ο Francis Halzen, ο οποίος ηγείται του ανιχνευτή IceCube.
Το σύνολο δεδομένων που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη περιελάμβανε 60.000 νετρίνα που καλύπτουν 10 χρόνια δεδομένων του IceCube, 30 φορές περισσότερα γεγονότα σε σύγκριση με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στην προηγούμενη ανάλυση του γαλαξιακού επιπέδου. Αυτά τα νετρίνα συγκρίθηκαν με παλαιότερους δημοσιευμένους χάρτες από τις παρατηρήσεις ακτίνων γάμμα στον Γαλαξία μας.
Τα αποτελέσματα είναι συνέχεια μιας δημοσίευσης του IceCube το περασμένο φθινόπωρο, επίσης στο Science [Ξεκίνησε μια νέα εποχή για την αστρονομία νετρίνων], που ήταν η πρώτη που συνέδεσε τα κοσμικά νετρίνα με μια μεμονωμένη πηγή. Έδειξε ότι ένας μεγάλος αριθμός κοσμικών νετρίνων που έχουν ανιχνευθεί μέχρι στιγμής από το παρατηρητήριο προέρχονται από την καρδιά ενός «ενεργού» γαλαξία που ονομάζεται NGC 1068. Στον λαμπερό πυρήνα του γαλαξία, η σπειροειδής κίνηση και οι αλληλεπιδράσεις της ύλης γύρω από την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, δημιουργεί κοσμικά νετρίνα.
Ο εντοπισμός των κοσμικών πηγών νετρίνων ανοίγει τη δυνατότητα χρήσης των σωματιδίων αυτών ως νέου εργαλείου διερεύνησης της θεμελιώδης φυσικής. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι τα νετρίνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ανοίξουν ρωγμές στο κυρίαρχο Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής και επιπλέον ελέγξουν κβαντικές θεωρίες βαρύτητας.
Ωστόσο, ο εντοπισμός της προέλευσης τουλάχιστον ορισμένων κοσμικών νετρίνων είναι μόνο ένα πρώτο βήμα. Λίγα είναι γνωστά για το πώς η δραστηριότητα γύρω από μερικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δημιουργεί αυτά τα σωματίδια και μέχρι στιγμής τα στοιχεία δείχνουν πολλαπλές διαδικασίες ή συνθήκες.
Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν ότι τέτοια υψηλής ενέργειας νετρίνα θα μπορούσαν να προκύψουν μόνο όταν ταχέως κινούμενοι ατομικοί πυρήνες, γνωστοί ως κοσμικές ακτίνες, συγκρούονται με την ύλη κάπου στο διάστημα. Και πολύ λίγα μέρη στο σύμπαν έχουν αρκετά ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία για να δημιουργήσουν τις κοσμικές ακτίνες στις κατάλληλες ενέργειες. Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, οι υπερφωτεινές λάμψεις φωτός που συμβαίνουν όταν κάποια άστρα γίνονται σουπερνόβα ή όταν άστρα νετρονίων κινούνται σπειροειδώς το ένα γύρω από το άλλο, θεωρούνταν ως οι πιο εύλογες επιλογές. Η μόνη πραγματική εναλλακτική ήταν οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες – γαλαξίες των οποίων οι κεντρικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες εκτοξεύουν σωματίδια και ακτινοβολία καθώς η ύλη πέφτει στο εσωτερικό τους.
Η θεωρία των εκρήξεων ακτίνων γάμμα έχασε έδαφος το 2012, όταν οι αστροφυσικοί συνειδητοποίησαν ότι αν ευθύνονταν αυτές οι φωτεινές εκρήξεις, θα έπρεπε να βλέπουμε πολλά περισσότερα κοσμικά νετρίνα. Ωστόσο, η διαμάχη δεν είχε επιλυθεί. Στη συνέχεια, το 2016, ο IceCube άρχισε να στέλνει ειδοποιήσεις κάθε φορά που εντόπιζαν ένα κοσμικό νετρίνο, ωθώντας άλλους αστρονόμους να στρέψουν τα τηλεσκόπια προς την κατεύθυνση από την οποία προερχόταν. Έτσι, τον επόμενο Σεπτέμβριο, συνδύασαν ένα κοσμικό νετρίνο με έναν ενεργό γαλαξία που ονομάζεται TXS 0506+056, ή TXS για συντομία, που εξέπεμπε εκλάμψεις ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα ταυτόχρονα. Κι αυτό σίγουρα προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον.
Όλο και περισσότερα κοσμικά νετρίνα συγκεντρώθηκαν και ένα άλλο τμήμα του ουρανού άρχισε να ξεχωρίζει με υπόβαθρο τα ατμοσφαιρικά νετρίνα. Στο μέσον αυτού του τμήματος βρίσκεται ο κοντινός ενεργός γαλαξίας NGC 1068. Η πρόσφατη ανάλυση του IceCube δείχνει ότι υπάρχει λιγότερο από 1 στις 100.000 πιθανότητες η αφθονία των νετρίνων που προέρχονται από την κατεύθυνση του NGC 1068 να είναι μια τυχαία διακύμανση.
Αυτοί οι δύο ενεργοί γαλαξίες φαίνεται να είναι οι λαμπρότερες πηγές νετρίνων στον ουρανό, όμως, παραδόξως, είναι πολύ διαφορετικές. Ο TXS είναι ανήκει στους γαλαξίες που ονομάζονται Βlazars (blazing quasi-stellar object = φλεγόμενο ημι-αστρικό αντικείμενο): εκτοξεύει έναν πίδακα ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας απευθείας προς τη Γη. Αλλά, όσον αφορά τον NGC 1068 δεν βλέπουμε κανένα τέτοιο πίδακα. Αυτό δείχνει ότι διαφορετικοί μηχανισμοί στην καρδιά των ενεργών γαλαξιών θα μπορούσαν να δημιουργήσουν κοσμικά νετρίνα. Οι ερευνητές υποπτεύονται ότι υπάρχει κάποιο υλικό που περιβάλλει τον ενεργό πυρήνα του NGC 1068 που εμποδίζει την εκπομπή ακτίνων γάμμα καθώς παράγονται νετρίνα. Αλλά ο ακριβής μηχανισμός είναι άγνωστος προς το παρόν
Τα κοσμικά νετρίνα που προέρχονται από τον ίδιο τον Γαλαξία μας περιπλέκουν περισότερο τα πράγματα. Δεν υπάρχουν προφανείς πηγές τέτοιων σωματιδίων υψηλής ενέργειας στον γαλαξία μας – συγκεκριμένα, δεν υπάρχει κανένας ενεργός γαλαξιακός πυρήνας. Ίσως αυτά τα νετρίνα προέρχονται από κοσμικές ακτίνες που παράχθηκαν σε μια προηγούμενη ενεργή φάση του γαλαξία μας. Πάντα ξεχνάμε ότι κοιτάμε μια στιγμή στο χρόνο. Αυτές τις κοσμικές ακτίνες μπορεί να δημιουργήθηκαν πριν από εκατομμύρια χρόνια.
Αυτό που ξεχωρίζει στη νέα εικόνα του ουρανού είναι η έντονη φωτεινότητα των πηγών όπως οι NGC 1068 και TXS. Ο Γαλαξίας μας, γεμάτος με κοντινά άστρα και θερμό αέριο, επισκιάζει όλους τους άλλους γαλαξίες όταν οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν ως εργαλείο παρατήρησης το φως (φωτόνια). Το εκπληκτικό είναι ότι μετά βίας μπορούμε να δούμε τον γαλαξία μας όταν χρησιμοποιούμε για την παρατήρηση του ουρανού τα νετρίνα. Ο ουρανός κυριαρχείται από εξωγαλαξιακές πηγές νετρίνων.
Παραμερίζοντας το μυστήριο του Γαλαξία μας, οι αστροφυσικοί θέλουν να χρησιμοποιήσουν τις πιο μακρινές, φωτεινότερες πηγές νετρίνων για να μελετήσουν τη σκοτεινή ύλη, την κβαντική βαρύτητα και τις νέες θεωρίες της συμπεριφοράς των νετρίνων.
Τα νετρίνα προσφέρουν σπάνιες ενδείξεις ότι μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία των σωματιδίων πρέπει να αντικαταστήσει την μέχρι σήμερα αποδεκτή θεωρία, το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοχειωδών σωματιδίων. Τα κοσμικά νετρίνα θα μπορούσαν να αλληλεπιδρούν με τη σκοτεινή ύλη καθώς ταξιδεύουν, όπως προβλέπουν από πολλά θεωρητικά μοντέλα που προσπαθούν να εξηγήσουν την φύση της σκοτεινής ύλης. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές ύλης θα μπορούσαν να σκεδάζουν τα νετρίνα με συγκεκριμένες ενέργειες και να δημιουργούν ένα κενό στο φάσμα των κοσμικών νετρίνων που βλέπουμε.
Ή η ίδια η κβαντική δομή του χωροχρόνου μπορεί να παρασύρει τα νετρίνα, επιβραδύνοντάς τα. Μια ομάδα φυσικών υποστήριξε πρόσφατα στο περιοδικό Nature Astronomy ότι τα δεδομένα του IceCube δείχνουν ενδείξεις ότι θα μπορούσε να συμβαίνει κάτι τέτοιο [Μια εξωφρενική επιβράδυνση νετρίνων].
Η γνώση συγκεκριμένων θέσεων των κοσμικών πηγών νετρίνων και των μηχανισμών παραγωγής τους θα πρόσφερε ένα «μεγάλο άλμα» στην αναζήτηση νέας φυσική.
Τελικά, πρέπει να ανιχνεύσουμε πολλά περισσότερα κοσμικά νετρίνα Και φαίνεται ότι θα το κάνουμε. Το IceCube αναβαθμίζεται και επεκτείνεται στα 10 κυβικά χιλιόμετρα τα επόμενα χρόνια, και ένας ανιχνευτής νετρίνων κάτω από τη λίμνη Βαϊκάλη στη Σιβηρία δημοσίευσε ήδη την πρώτη του παρατήρηση κοσμικών νετρίνων από το TXS. Αλλά και στην θλιβερή Μεσόγειο, υπάρχουν δεκάδες σειρές ανιχνευτών νετρίνων που ονομάζονται συλλογικά KM3NeT και στερεώνονται στον πυθμένα της θάλασσας από ένα υποβρύχιο ρομπότ για να προσφέρουν μια συμπληρωματική θέα στον ουρανό των κοσμικών νετρίνων. Κάτι που ξεκίνησε πρίν από 33 χρόνια με τον ανιχνευτή NESTOR ανοιχτά της Πύλου.
διαβάστε περισότερες λεπτομέρειες:
1. A New Map of the Universe, Painted With Cosmic Neutrinos
2. Our galaxy seen through a new lens: neutrinos detected by IceCube
Παρακολουθείστε την χτεσινή ανακοίνωση της ομάδας του IceCube:
