De neutrino-gebeurtenis IceCube 170922A, gedetecteerd bij het IceCube Neutrino Observatorium op de Zuidpool, afkomstig lijkt te zijn van het verre actieve sterrenstelsel TXS 0506+056, op een lichte reisafstand van 3,8 miljard lichtjaar. TXS 0506+056 is een van de vele actieve sterrenstelsels en het bleef een mysterie waarom en hoe alleen dit specifieke sterrenstelsel tot nu toe neutrino's heeft gegenereerd.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Silke Britzen van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, Duitsland, bestudeerde hoge resolutie radiowaarnemingen van de bron tussen 2009 en 2018, voor en na de neutrino-gebeurtenis. Het team stelt voor dat de verhoogde neutrino-activiteit tijdens een eerdere neutrino-uitbarsting en het enkele neutrino zou kunnen zijn gegenereerd door een kosmische botsing binnen TXS 0506+056. De botsing van straalmateriaal in de buurt van een superzwaar zwart gat lijkt de neutrino's te hebben geproduceerd.

De resultaten zijn gepubliceerd in Astronomie en astrofysica , 02 oktober 2019.

Op 12 juli, 2018, de IceCube-samenwerking kondigde de detectie aan van het eerste hoogenergetische neutrino, IceCube-170922A, die terug te voeren zijn op een verre kosmische oorsprong. Hoewel de kosmische oorsprong van neutrino's al geruime tijd werd vermoed, dit was het eerste neutrino uit de ruimte waarvan de oorsprong kon worden bevestigd. De 'thuisbasis' van dit neutrino is een Active Galactic Nucleus (AGN) - een sterrenstelsel met een superzwaar zwart gat als centrale motor. Een internationaal team kon nu het productiemechanisme van het neutrino ophelderen en een equivalent vinden van een botser op aarde:een kosmische botsing van gespoten materiaal.

AGN's zijn de meest energetische objecten in ons universum. Aangedreven door een superzwaar zwart gat, materie wordt opgehoopt en stromen plasma (zogenaamde jets) worden gelanceerd in de intergalactische ruimte. BL Lac-objecten vormen een speciale klasse van deze AGN's, waar de jet direct op ons gericht is en de waargenomen straling domineert. De neutrino-gebeurtenis IceCube-170922A lijkt afkomstig te zijn van het BL Lac-object TXS 0506+056, een sterrenstelsel met een roodverschuiving van z=0,34, wat overeenkomt met een lichtreisafstand van 3,8 miljard lichtjaar. Een analyse van IceCube-archiefgegevens door de IceCube-samenwerking had eerder bewijs van een verbeterde neutrino-activiteit aan het licht gebracht, tussen september 2014 en maart 2015.

Andere BL Lac Objects vertonen eigenschappen die vrij gelijkaardig zijn aan die van TXS 0506+056. "Het was een beetje een mysterie, echter, waarom alleen TXS 0506+056 is geïdentificeerd als een neutrino-emitter, " legt Silke Britzen van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) uit, de hoofdauteur van het artikel. "We wilden ontrafelen wat TXS 0506+056 speciaal maakt, om het neutrino-creatieproces te begrijpen en om de emissielocatie te lokaliseren en een reeks hoge resolutie radiobeelden van de jet te bestuderen."

Tot hun grote verbazing de onderzoekers vonden een onverwachte interactie tussen jetmateriaal in TXS 0506+056. Terwijl straalplasma meestal ongestoord in een soort kanaal stroomt, de situatie lijkt anders in TXS 0506+056. Het team stelt voor dat de verhoogde neutrino-activiteit tijdens de neutrino-flare in 2014-2015 en de enkele EHE-neutrino. IceCube-170922A kan zijn ontstaan ​​door een kosmische botsing in de bron.

Deze kosmische botsing kan worden verklaard door nieuw straalmateriaal dat tegen ouder straalmateriaal botst. Een sterk gebogen jetstructuur biedt de juiste opstelling voor een dergelijk scenario. Een andere verklaring betreft de botsing van twee jets in dezelfde bron. In beide scenario's het is de botsing van gespoten materiaal dat het neutrino genereert. Markus Böttcher van de North-West University in Potchefstroom (Zuid-Afrika), een co-auteur van het artikel, voerde de berekeningen uit met betrekking tot de straling en de deeltjesemissie. "Deze botsing van gespoten materiaal is momenteel het enige haalbare mechanisme dat de detectie van neutrino's uit deze bron kan verklaren. Het geeft ons ook belangrijk inzicht in het straalmateriaal en lost een al lang bestaande vraag op of stralen leptonisch zijn, bestaande uit elektronen en positronen; of hadronicum, bestaande uit elektronen en protonen; of een combinatie van beide. Ten minste een deel van het jetmateriaal moet hadronisch zijn, anders we zouden het neutrino niet hebben gedetecteerd."

In de loop van de kosmische evolutie van ons heelal, botsingen van sterrenstelsels lijken een veel voorkomend verschijnsel te zijn. Ervan uitgaande dat beide sterrenstelsels centrale superzware zwarte gaten bevatten, de galactische botsing kan resulteren in een paar zwarte gaten in het centrum. Dit paar zwarte gaten zou uiteindelijk kunnen fuseren en het superzware equivalent produceren van het samensmelten van stellaire zwarte gaten, zoals gedetecteerd in zwaartekrachtsgolven door de LIGO/Virgo-samenwerking.

AGN's met dubbele zwarte gaten op een kleine afstand van slechts lichtjaren worden al vele jaren nagestreefd. Echter, ze lijken zeldzaam en moeilijk te identificeren. Naast de botsing van gespoten materiaal, het team vond ook bewijs voor een precessie van de centrale jet van TXS 0506+056. Volgens Michal Zajaček van het Centrum voor Theoretische Fysica, Warschau:"Deze precessie kan in het algemeen worden verklaard door de aanwezigheid van een superzwaar zwart gat binair of het Lense-Thirring precessie-effect zoals voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dit laatste kan ook worden veroorzaakt door een tweede, verder weg gelegen zwart gat in het centrum. Beide scenario's leiden tot een dwaling van de straalrichting, die we observeren."

Christian Fendt van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg is verbaasd:"Hoe beter we naar de straalbronnen kijken, hoe ingewikkelder de interne structuur en straaldynamiek lijkt. Terwijl binaire zwarte gaten een complexere uitstroomstructuur produceren, hun bestaan ​​wordt natuurlijk verwacht van de kosmologische modellen van melkwegvorming door melkwegfusies."

Silke Britzen benadrukt het wetenschappelijke potentieel van de bevindingen:"Het is fantastisch om de neutrino-generatie te begrijpen door de binnenkant van jets te bestuderen. En het zou een doorbraak zijn als onze analyse een andere kandidaat had opgeleverd voor een binaire zwart-gat jetbron met twee jets."

Het lijkt de eerste keer te zijn dat een mogelijke botsing van twee jets op een schaal van enkele lichtjaren is gemeld en dat de detectie van een kosmisch neutrino terug te voeren is op een kosmische jetbotsing.

Hoewel TXS 0506+056 misschien niet representatief is voor de klasse van BL Lac-objecten, deze bron zou de juiste opstelling kunnen bieden voor een herhaalde interactie van gespoten materiaal en het genereren van neutrino's.