Odkrycie źródła wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych dzięki obserwacjom promieniowania gamma

Dwudziestego drugiego września zeszłego roku obserwatorium IceCube wykryło wysokoenergetyczne neutrino (jest to słabo oddziałująca cząstka elementarna), które prawdopodobnie pochodzi z kosmosu. Wykrycie pojedynczego neutrina, podobnie jak kilkudziesięciu wcześniej obserwowanych przez IceCube takich przypadków, nie daje możliwości zidentyfikowania ich źródła ze względu na niedostateczną dokładność wyznaczania kierunku nadejścia cząstki. Dlatego szybko po wykryciu neutrina rozpoczęły się obserwacje wytypowanego obszaru nieba za pomocą teleskopów astronomicznych rejestrujących różne typy promieniowania elektromagnetycznego. W cztery godziny po rozesłaniu informacji przez zespół IceCube rozpoczęły się obserwacje w zakresie wysokich energii promieniowania gamma. Najpierw przez obserwatorium H.E.S.S. w Namibii, a po 12 godzinach przez obserwatorium VERITAS znajdujące się w Arizonie (USA). Następnego dnia obserwacje kontynuowało obserwatorium MAGIC na Wyspach Kanaryjskich w Hiszpanii. Pierwsze obserwacje dały jedynie górne ograniczenie na jasność promieniowania gamma z ewentualnego źródła neutrin. Później MAGIC obserwował jeszcze ten obszar nieba przez w sumie 13 godzin, od 24 września do 4 października 2017 roku.
W czasie tych obserwacji pojawił się jaśniejący obiekt, galaktyka TXS 0506+56, którą zidentyfikowano jako możliwe źródło zarówno promieniowania gamma, jak i wysokoenergetycznych neutrin z kosmosu. Artykuł na temat tego ważnego odkrycia właśnie opublikowano w magazynie Science.

Powyższe obserwacje, prowadzone także za pomocą wielu innych instrumentów działających w zakresie od radiowego do promieni gamma wysokich energii (w tym HAWC w Meksyku), wskazują na to, że źródłem zarejestrowanego neutrina mogła być galaktyka TXS 0506+056. Galaktyka ta znajduje się w odległości około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi i jest tak zwanym "blazarem", czyli zawiera masywną czarną dziurę, na którą spada materia, co powoduje wypływy z jej pobliża strug materii i pól magnetycznych z prędkością bliską prędkości światła. Blazar to obiekt, w którym ten wypływ obserwujemy wzdłuż kierunku wypływu strugi. Zachodzi w niej przyspieszanie cząstek do bardzo wysokich energii. Z obserwacji promieni gamma nie możemy określić, czy przyspieszane cząstki to elektrony, protony, czy też cięższe jądra atomowe. Natomiast obserwacja neutrin to niewątpliwy ślad po przyspieszanych protonach lub nawet jądrach, które zderzając się cząstkami gazu międzygwiazdowego tworzą piony (nietrwałe cząstki elementarne), które następnie rozpadają się emitując neutrina.

Wykrycie promieni gamma w koincydencji z neutrinami fascynuje naukowców, gdyż ich powstanie musi być związane z przyspieszaniem protonów/jąder atomowych do wysokich energii, które są składową tzw. promieniowania kosmicznego. Pochodzenie promieni kosmicznych stanowi zagadkę dla naukowców od momentu ich odkrycia ponad 100 lat temu. Obserwacja promieni gamma i neutrin z blazara to pierwszy bezpośredni dowód na istnienie w tych obiektach kosmicznych akceleratorów protonów. Ponadto jest to kolejny sukces nowo rozwijającej się astronomii wykorzystującej różne nośniki informacji (ang. "multimessenger astronomy"), w której łączone są obserwacje nie tylko w różnych zakresach widma elektromagnetycznego, ale także docierających do nas cząstek – neutrin i promieni kosmicznych – oraz fal grawitacyjnych.

Artykuł w którym przedstawione są wyniki obserwacji „Multimessenger Observations of a flaring blazar coincident with high energy neutrino IceCube-170922A” został opublikowany w magazynie Science 13 lipca. Współautorami tej pracy są badacze (dr hab. Jacek Niemiec, dr hab. Sabrina Casanova, dr Alicja Wierzcholska i dr Francisco Salesa Greus) oraz doktorant (mgr Amid Nayerhoda) z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, którzy biorą udział w pracach obserwatorium H.E.S.S i HAWC. W Polsce we współpracy H.E.S.S., obok IFJ PAN, biorą udział naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. Uniwersytetu Łódzki jest członkiem obserwatorium MAGIC. Polskie prace we wspomnianych projektach wspierane są przez granty Narodowego Centrum Nauki.



Teleskopy obserwatorium H.E.S.S. w Namibii

Fot. 1. Teleskopy obserwatorium H.E.S.S. w Namibii


Obserwiatorium HAWC

Fot. 2. Obserwiatorium HAWC