Un mister mai vechi de un secol al astrofizicii a fost descifrat. Savanţii au găsit sursa ”particulelor-fantomă”

Observaţiile, realizate de IceCube Neutrino Observatory de la Amundsen-Scott South Pole Station, susţinut de National Science Foundation (NSF) şi confirmate de telescoape din întreaga lume şi de pe orbita Pământului, ajută la rezolvarea unei enigme cu privire la sursa particulelor subatomice precum neutrinii şi a radiaţiilor cosmice care străbat Universul, relatează Phys.

De la detectarea lor de acum mai bine de o sută de ani, radiaţiile cosmice – particule încărcate energetic ce bombardează constant planeta noastră – au reprezentat un mister aproape imposibil de rezolvat: ce le creează şi lansează pe aceste distanţe atât de vaste? De unde vin?

• Telescopul Webb a găsit o populație neobișnuit de mare de asteroizi între Jupiter și Marte
• Un nou studiu dezvăluie cum au jucat cometele un rol „major” în apariția vieții pe Pământ

Pentru că este vorba despre particule încărcate, traiectoria lor nu poate fi urmărită direct la sursă din cauza câmpurilor magnetice puternice care umplu spaţiul şi le deviază. Dar acceleratoarele cosmice puternice care le produc vor produce, de asemenea, şi neutrini – particule neîncărcate energetic, deci neafectate nici măcar de cele mai puternice câmpuri magnetice. Întrucât se întâmplă rar ca acestea să interacţioneze cu materia şi sunt extrem de uşoare (aproape că nu au masă, de aici şi porecla de „particule-fantomă”), acestea pot trece prin Univers nederanjate, oferind astfel posibilitatea de a determina traiectoria până la sursă.

„Dovezile pentru observaţia primei surse cunoscute de neutrini şi radiaţii cosmice sunt convingătoare”

Două lucrări publicate recent în jurnalul Science au furnizat, pentru prima dată, primele dovezi ale unui blazar cunoscut ca fiind sursa neutrinilor. Acesta, denumit TXS 0506+056, a atras atenţia în urma unei „alerte de neutrini” trimisă de IceCube pe 22 septembrie 2017.

„Dovezile pentru observaţia primei surse cunoscute de neutrini şi radiaţii cosmice sunt convingătoare”, a precizat Francis Halzen, profesor de fizică la University of Wisconsin-Madison şi savantul care a condus studiul de la IceCube Neutrino Observatory.

„Era astrofizicii cu multimesageri a venit. Fiecare mesager – de la radiaţie electromagnetică, unde gravitaţionale şi acum neutrini – ne oferă o înţelegere mai completă a Universului şi o nouă cunoaştere cu privire la cele mai puternice obiecte şi evenimente de pe cer. Astfel de realizări sunt posibile doar printr-un angajament către cercetarea fundamentală şi investiţie în instituţii superbe de cercetare”, a precizat France Córdova, directorul NSF.

Un blazar este o galaxie eliptică gigantică ce are în centrul său o gaură neagră supermasivă cu viteză de rotaţie extrem de mare. O trăsătură specifică a blazarilor este reprezentată de jeturile gemene de lumină şi particulele elementare care sunt emise de la polii găurii negre, de-a lungul axei de rotaţie a acesteia. Blazarul studiat este situat lângă umărul stâng al constelaţiei Orion şi se află la circa 4 miliarde de ani lumină de Terra.

„Capacitatea de a folosi telescoape din întreaga lume pentru a realiza o descoperire utilizând o varietate de lungimi de undă în cooperare cu un detector de neutrini, precum IceCube, marchează un nou început”

Echipat cu un sistem de alertă aproape în timp real – declanşat atunci când neutrinii intră în coliziune cu un nucleu atomic din gheaţa antarctică din sau de lângă detectorul IceCube – observatorul a prezentat coordonatele alertei de neutrini de pe data de 22 septembrie mai multor telescoape din întreaga lume pentru a efectua observaţii. Observatoare pentru radiaţii gamma, precum telescopul spaţial Fermi al NASA şi MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) din Insulele Canare au detectat un impuls de radiaţii gamma asociate cu TXS 0506+056, o convergenţă de observaţii care implică în mod convingător că blazarul este cea mai probabilă sursă.

Fermi a fost primul telescop care a identificat activitatea ridicată de la TXS 0506+056 în direcţia IceCube cu o deviaţie maximă de 0,06 grade. Într-un deceniu de observaţii a acestei surse realizate de Fermi, aceasta prezenta cele mai puternice impulsuri de radiaţii gamma. Studiile ulterioare realizate cu ajutorul telescopului Magic au detectat radiaţii gamma la energii chiar şi mai ridicate.

Aceste observaţii demonstrează că TXS 056+056 este una dintre cele mai luminoase surse din Universul cunoscut de unde pot fi observate mai multe tipuri de mesageri, inclusiv neutrinii.

Mai mult decât atât, măsurătorile coincid cu cele efectuate cu ajutorul altor instrumente, precum telescoape de radiaţii X, optice şi radio. „Capacitatea de a folosi telescoape din întreaga lume pentru a realiza o descoperire utilizând o varietate de lungimi de undă în cooperare cu un detector de neutrini precum IceCube marchează un nou început în ceea ce savanţii numesc astronomie de multimesageri”, a precizat Halzen.

Gaura neagră ca accelerator de particule. Radiaţiile gamma şi neutrinii

Fizicianul austriac Victor Hess a demonstrat în anul 1912 că particulele ionizante pe care le detectau oamenii de ştiinţă în atmosferă veneau din spaţiu. Radiaţiile cosmice sunt particulele cu cea mai mare energie observate până acum, cu un nivel de sute de milioane de ori mai mare decât nivelul energiei particulelor din Large Hadron Collider de la CERN din Elveţia – cel mai mare accelerator de particule realizat de om.

Aceste radiaţii cosmice cu energie extrem de ridicată pot fi create doar în afara galaxiei noastre, iar sursele lor au rămas un mister până acum. Savanţii au speculat că cele mai violente obiecte din cosmos, precum rămăşiţele de supernovă, galaxiile în coliziune şi miezurile găurilor negre ale galaxiilor precum blazarii, pot reprezenta sursele.

„Fermi a monitorizat 2.000 de blazari timp de un deceniu, de aceea am putut fi capabili să identificăm acest blazar ca sursă de neutrini. Radiaţiile gamma pot fi produse ori de electronii sau protonii în acceleraţie. Observarea neutrinilor, care reprezintă un indicator al interacţiunii protonilor, este prima dovadă clară a protonilor aflaţi în acceleraţie care provin dintr-o gaură neagră”, a precizat Regina Caputo, coordonatorul analizelor efectuate de Fermi.

„Acum am identificat cel puţin o sursă de radiaţii cosmice pentru că produce neutrini cosmici. Neutrinii sunt particulele care rezultă în urma degradării pionilor (numiţi şi mezoni pi). Pentru a-i produce, ai nevoie de un accelerator de protoni”, a adăugat Halzen.

Radiaţiile cosmice sunt în mare parte protoni şi sunt trimişi prin Univers pentru că locurile în care au fost creaţi acţionează pe acelaşi principiu ca acceleratoarele de particule de pe Terra, doar că, aşa cum s-a menţionat mai sus, acceleratoarele cosmice sunt mult mai puternice. „Teoriile susţin că emisia de neutrini va fi acompaniată de eliberarea de radiaţii gamma”, explică Razmik Mirzoyan, purtătorul de cuvânt de la MAGIC.

Totuşi, mai există întrebări cu privire la modul în care blazarii accelerează particule la asemenea energii. „Radiaţiile gamma oferă informaţii cu privire felul în care ‘centralele’ din găurile negre supermasive funcţionează”, adaugă Mirzoyan.

Fiind cei mai recenţi mesageri care au intrat în joc, neutrinii aduc informaţii noi şi esenţiale în ceea ce priveşte determinarea mecanismelor interne ale acestor acceleratoare cosmice. În particular, măsurătorile în ceea ce priveşte neutrinii pot scoate la iveală mecanisme pentru acceleraţia particulelor a emisiei cu protoni în cele mai dense medii din care nici măcar radiaţiile gamma nu pot evada.

Vă recomandăm să citiţi şi următoarele articole:

Fizicienii au putut măsura pentru prima dată interacţiunea cu materia a uneia dintre cele mai enigmatice particule

Savanţii vin cu primele rezultate ale unui experiment menit să răspundă la una dintre cele mai importante întrebări cu privire la creaţia Universului

Acum ştim ceva mai mult despre atom: savanţii au putut observa pentru prima dată o particulă extrem de mică şi rară a acestuia

Cum ar arăta un univers constituit din antimaterie?