De oorsprong van hoogenergetische kosmische neutrino's waargenomen door het IceCube Neutrino Observatory, wiens detector diep in het Antarctische ijs is begraven, is een raadsel dat natuurkundigen en astronomen in verwarring heeft gebracht. Een nieuw model zou kunnen helpen bij het verklaren van de onverwacht grote flux van sommige van deze neutrino's, afgeleid door recente neutrino- en gammastralingsgegevens. Een paper van Penn State-onderzoekers die het model beschrijven, wat wijst op de superzware zwarte gaten in de kernen van actieve sterrenstelsels als de bronnen van deze mysterieuze neutrino's, verschijnt 30 juni 2020 in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven .

"Neutrino's zijn subatomaire deeltjes die zo klein zijn dat hun massa bijna nul is en ze zelden interageren met andere materie, " zei Kohta Murase, assistent-professor natuurkunde en astronomie en astrofysica aan Penn State en lid van Center for Multimessenger Astrophysics in het Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), die het onderzoek leidde. "Kosmische neutrino's met hoge energie worden gecreëerd door energetische versnellers van kosmische straling in het universum, dat kunnen extreme astrofysische objecten zijn, zoals zwarte gaten en neutronensterren. Ze moeten vergezeld gaan van gammastralen of elektromagnetische golven met lagere energieën, en soms zelfs zwaartekrachtsgolven. Dus, we verwachten dat de niveaus van deze verschillende 'kosmische boodschappers' die we waarnemen met elkaar in verband staan. interessant, de IceCube-gegevens hebben een overmatige emissie van neutrino's met energieën van minder dan 100 tera-elektronvolt (TeV) aangegeven, vergeleken met het niveau van overeenkomstige hoogenergetische gammastralen die door de Fermi Gamma-ray Space Telescope worden waargenomen."

Wetenschappers combineren informatie van al deze kosmische boodschappers om meer te weten te komen over gebeurtenissen in het universum en om de evolutie ervan te reconstrueren in het ontluikende veld van 'multimessenger-astrofysica'. Voor extreme kosmische gebeurtenissen, zoals enorme stellaire explosies en jets van superzware zwarte gaten, die neutrino's creëren, deze benadering heeft astronomen geholpen de verre bronnen te lokaliseren en elke extra boodschapper geeft aanvullende aanwijzingen over de details van de verschijnselen.

Voor kosmische neutrino's boven 100 TeV, eerder onderzoek door de Penn State-groep toonde aan dat het mogelijk is om overeenstemming te hebben met hoogenergetische gammastraling en ultrahoogenergetische kosmische straling, wat past bij een multimessenger-beeld. Echter, er is groeiend bewijs voor een overmaat aan neutrino's onder de 100 TeV, die niet zomaar verklaard kunnen worden. Zeer onlangs, de IceCube Neutrino Observatory meldde nog een overmaat aan hoogenergetische neutrino's in de richting van een van de helderste actieve sterrenstelsels, bekend als NGC 1068, in de noordelijke hemel.

"We weten dat de bronnen van hoogenergetische neutrino's ook gammastraling moeten creëren, dus de vraag is:waar zijn deze ontbrekende gammastralen?" zei Murase. "De bronnen zijn op de een of andere manier aan ons zicht onttrokken in hoogenergetische gammastralen, en het energiebudget van neutrino's die vrijkomen in het universum is verrassend groot. De beste kandidaten voor dit type bron hebben een dichte omgeving, waar gammastralen zouden worden geblokkeerd door hun interactie met straling en materie, maar neutrino's gemakkelijk kunnen ontsnappen. Ons nieuwe model laat zien dat superzware zwarte-gatsystemen veelbelovende locaties zijn en het model kan de neutrino's onder de 100 TeV verklaren met bescheiden energetische vereisten."

Het nieuwe model suggereert dat de corona - de aura van superheet plasma dat sterren en andere hemellichamen omringt - rond superzware zwarte gaten in de kern van sterrenstelsels, zou zo'n bron kunnen zijn. Analoog aan de corona die te zien is op een foto van de zon tijdens een zonsverduistering, astrofysici geloven dat zwarte gaten een corona hebben boven de roterende schijf van materiaal, bekend als een accretieschijf, dat zich rond het zwarte gat vormt door zijn zwaartekracht. Deze corona is extreem heet (met een temperatuur van ongeveer een miljard graden kelvin), gemagnetiseerd, en turbulent. In deze omgeving, deeltjes kunnen worden versneld, wat leidt tot deeltjesbotsingen die neutrino's en gammastralen zouden creëren, maar de omgeving is dicht genoeg om het ontsnappen van hoogenergetische gammastraling te voorkomen.

"Het model voorspelt ook elektromagnetische tegenhangers van de neutrinobronnen in 'zachte' gammastraling in plaats van hoogenergetische gammastraling, "zei Murase. "Hoge-energetische gammastralen zouden worden geblokkeerd, maar dit is niet het einde van het verhaal. Ze zouden uiteindelijk worden gecascadeerd naar lagere energieën en worden vrijgegeven als 'zachte' gammastralen in het mega-elektronvoltbereik, maar de meeste van de bestaande gammastralingsdetectoren, zoals de Fermi Gamma-ray Space Telescope, zijn niet afgestemd om ze te detecteren."

Er zijn projecten in ontwikkeling die specifiek zijn ontworpen om dergelijke zachte gammastraling vanuit de ruimte te onderzoeken. Verder, aankomende en volgende generatie neutrinodetectoren, KM3Net in de Middellandse Zee en IceCube-Gen2 in Antarctica zullen gevoeliger zijn voor de bronnen. De veelbelovende doelen zijn onder meer NGC 1068 aan de noordelijke hemel, waarvoor de overtollige neutrino-emissie werd gerapporteerd, en een aantal van de helderste actieve sterrenstelsels aan de zuidelijke hemel.

"Deze nieuwe gammastraling- en neutrinodetectoren zullen dieper zoeken naar multimessenger-emissie van superzware zwarte-gat-coronae mogelijk maken, "zei Murase. "Dit zal het mogelijk maken om kritisch te onderzoeken of deze bronnen verantwoordelijk zijn voor de grote flux van neutrino's op het midden-energieniveau die door IceCube worden waargenomen, zoals ons model voorspelt."