Neutrina i promienie gamma – na tropie źródeł promieni kosmicznych

Astronomowie zaobserwowali, że źródłem neutrina – ultralekkiej cząstki elementarnej, która nie ma ładunku elektrycznego – była galaktyka – blazar TXS 0506+056 znajdująca się w odległości około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Artykuł, w którym przedstawione są wyniki obserwacji, został opublikowany w magazynie „Science”. Współautorem pracy jest prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW.

22 września ubiegłego roku detektory obserwatorium IceCube na Antarktydzie wykryły wysokoenergetyczne neutrino, najprawdopodobniej kosmicznego pochodzenia. Dotychczas jedynie w dwóch przypadkach – Słońca i supernowej 1987A – udało się zidentyfikować tego typu cząstki z obiektami astrofizycznymi. Detekcja IceCube stała się kolejną szansą na ustalenie źródła pochodzenia cząstki promieniowania kosmicznego.

Wykrycie pojedynczego neutrina nie wystarcza jednak do identyfikacji źródła jego pochodzenia, gdyż detektory IceCube umożliwiają jedynie określenie stosunkowo dużego obszaru nieba, z którego cząstka dotarła. W związku z tym niemal natychmiast po detekcji neutrina rozpoczęły się intensywne obserwacje tego fragmentu nieba za pomocą teleskopów działających w różnych zakresach widmowych. Już w 4 godziny po rozpowszechnieniu informacji wykonano obserwacje w zakresie wysokich energii – najpierw przez obserwatorium H.E.S.S w Namibii, a potem, po 12 godzinach, teleskopem VERITAS w Arizonie (USA). Następnego dnia do obserwacji przyłączył się teleskop MAGIC na Wyspach Kanaryjskich. Wszystkie te obserwacje dały jedynie górne ograniczenie na jasność źródła. Kilka dni później – od 24 września do 4 października ubiegłego roku – obserwowano ponownie ten sam obszar nieba, w sumie przez 13 godzin, za pomocą teleskopu MAGIC. W czasie tych obserwacji jasność źródła zwiększyła się na tyle, że stało się ono możliwe do zaobserwowania.

Blazar źródłem neutrina

Obserwacje, które prowadzone były przez wiele innych instrumentów w zakresie od promieniowania radiowego do promieniowania gamma wysokich energii, wskazują że źródłem neutrina była aktywna galaktyka TXS 0506+056. Galaktyka ta znajduje się w odległości około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi i jest blazarem, czyli zawiera masywną czarną dziurę, na którą spada materia, co powoduje powstanie strumienia wysokoenergetycznych cząstek. Blazary obserwujemy wzdłuż kierunku wypływu wysokoenergetycznej strugi materii. Zachodzi w nich przyspieszanie cząstek do bardzo wysokich energii, jednak z obserwacji promieniowania gamma nie możemy określić, czy są to elektrony, czy też protony i cięższe jądra atomowe. Obserwacje neutrin wskazują na ślad po przyspieszanych protonach lub nawet jądrach. Szybkie protony zderzają się cząstkami gazu międzygwiazdowego, tworząc piony, które następnie rozpadają się, emitując neutrina.

Wykrycie promieni gamma w koincydencji z neutrinami fascynuje naukowców, gdyż ich powstanie musi być związane z przyspieszaniem cząstek promieni kosmicznych. Pochodzenie promieni kosmicznych było zagadką dla naukowców od ponad 100 lat, czyli od momentu ich odkrycia. Obserwacja promieniowania gamma i neutrin z blazara wskazuje, że w tego rodzaju obiektach zachodzi produkcja promieni kosmicznych. Mamy więc pierwszy bezpośredni dowód na istnienie kosmicznego akceleratora protonów. Jest to kolejny sukces nowo rozwijającej się astronomii wieloaspektowej, w której łączone są obserwacje nie tylko w różnych zakresach widma elektromagnetycznego, ale także różne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, neutrina, promienie kosmiczne czy fale grawitacyjne.