Pas voor de tweede keer, astronomen hebben een ongrijpbaar deeltje, een hoogenergetisch neutrino genaamd, gekoppeld aan een object buiten onze melkweg. Met behulp van grond- en ruimtegebaseerde faciliteiten, inclusief NASA's Neil Gehrels Swift Observatory, ze volgden het neutrino naar een zwart gat dat een ster verscheurde, een zeldzame catastrofale gebeurtenis die een getijdenverstoring wordt genoemd.

"Astrofysici hebben lang getheoretiseerd dat getijdenverstoringen energierijke neutrino's kunnen produceren, maar dit is de eerste keer dat we ze in verband kunnen brengen met waarnemingsbewijs, " zei Robert Stein, een doctoraatsstudent aan het Duitse Electron-Synchrotron (DESY) onderzoekscentrum in Zeuthen, Duitsland, en Humboldt-universiteit in Berlijn. "Maar het lijkt erop dat deze specifieke gebeurtenis, genaamd AT2019dsg, heeft het neutrino niet gegenereerd wanneer of hoe we het verwachtten. Het helpt ons beter te begrijpen hoe deze verschijnselen werken."

De bevindingen, onder leiding van Stein, werden gepubliceerd in het nummer van 22 februari van Natuurastronomie en zijn online beschikbaar. Neutrino's zijn fundamentele deeltjes die veel groter zijn dan alle atomen in het universum, maar zelden interactie hebben met andere materie. Astrofysici zijn vooral geïnteresseerd in hoogenergetische neutrino's, die energieën hebben tot 1, 000 keer groter dan die geproduceerd door de krachtigste deeltjesversnellers op aarde. Ze denken dat de meest extreme gebeurtenissen in het universum, als gewelddadige galactische uitbarstingen, deeltjes versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Die deeltjes botsen vervolgens met licht of andere deeltjes om hoogenergetische neutrino's te genereren. De eerste bevestigde hoogenergetische neutrinobron, aangekondigd in 2018, was een soort actief sterrenstelsel dat een blazar wordt genoemd.

Getijdenverstoringen treden op wanneer een ongelukkige ster te dicht bij een zwart gat afdwaalt. Zwaartekrachtkrachten creëren intense getijden die de ster uiteenvallen in een stroom gas. Het achterste deel van de stroom ontsnapt aan het systeem, terwijl het leidende deel weer rondzwaait, rond het zwarte gat met een schijf van puin. In sommige gevallen, het zwarte gat lanceert snel bewegende deeltjesstralen. Wetenschappers veronderstelden dat getijdenverstoringen energierijke neutrino's zouden produceren in dergelijke deeltjesstralen. Ze verwachtten ook dat de gebeurtenissen vroeg in hun evolutie neutrino's zouden produceren, bij maximale helderheid, ongeacht het productieproces van de deeltjes.

AT2019dsg werd ontdekt op 9 april 2019, door de Zwicky Transient Facility (ZTF), een robotcamera bij Caltech's Palomar Observatory in Zuid-Californië. De gebeurtenis vond plaats op meer dan 690 miljoen lichtjaar afstand in een sterrenstelsel genaamd 2MASX J20570298+1412165, bevindt zich in het sterrenbeeld Delphinus.

Als onderdeel van een routinematig vervolgonderzoek naar getijdenverstoringen, Stein en zijn team verzochten om zichtbaar, ultraviolet, en röntgenwaarnemingen met Swift. Ze namen ook röntgenmetingen met behulp van de XMM-Newton-satelliet van de European Space Agency en radiometingen met faciliteiten, waaronder de Karl G. Jansky Very Large Array van de National Radio Astronomy Observatory in Socorro, New Mexico, en de MeerKAT-telescoop van het Zuid-Afrikaanse Radio Astronomy Observatory.

Piekhelderheid kwam en ging in mei. Er verscheen geen heldere straal. Volgens theoretische voorspellingen AT2019dsg zag eruit als een arme neutrino-kandidaat.

Vervolgens, op 1 oktober 2019, Het IceCube Neutrino Observatory van de National Science Foundation op het Zuidpoolstation Amundsen-Scott op Antarctica ontdekte een hoogenergetisch neutrino genaamd IC191001A en keerde terug langs zijn traject naar een locatie in de lucht. Ongeveer zeven uur later, ZTF merkte op dat ditzelfde stukje lucht AT2019dsg bevatte. Stein en zijn team denken dat er maar één kans op 500 is dat de getijdenverstoring niet de bron van het neutrino is. Omdat de detectie ongeveer vijf maanden nadat de gebeurtenis de maximale helderheid had bereikt, plaatsvond, het roept vragen op over wanneer en hoe deze gebeurtenissen neutrino's produceren.

"Getijdenverstoringen zijn ongelooflijk zeldzame fenomenen, komt slechts eens in de 10 voor, 000 tot 100, 000 jaar in een groot sterrenstelsel als het onze. Astronomen hebben op dit moment slechts enkele tientallen waargenomen, " zei Swift Principal Investigator S. Bradley Cenko bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Multigolflengtemetingen van elk evenement helpen ons er als klas meer over te leren, dus AT2019dsg was van groot belang, zelfs zonder een eerste neutrino-detectie."

Bijvoorbeeld, getijdenverstoringen genereren zichtbaar en UV-licht in de buitenste regionen van hun hete accretieschijven. In AT2019dsg, deze golflengten vlakten vlak nadat ze een hoogtepunt hadden bereikt. Dat was ongebruikelijk omdat dergelijke plateaus meestal pas na een paar jaar verschijnen. De onderzoekers vermoeden het zwarte gat van de melkweg, met een massa geschat op 30 miljoen keer de zon, zou het stellaire puin hebben gedwongen zich sneller in een schijf te nestelen dan rond een minder massief zwart gat.

AT2019dsg is een van de weinige bekende röntgenstraling-emitterende getijdenverstoringen. Wetenschappers denken dat de röntgenstralen ofwel uit het binnenste deel van de accretieschijf komen, dicht bij het zwarte gat, of van hogesnelheidsdeeltjesstralen. De röntgenstralen van de uitbarsting vervaagden met een ongekende 98% gedurende 160 dagen. Het team van Stein ziet geen duidelijk bewijs voor de aanwezigheid van jets en suggereert in plaats daarvan een snelle afkoeling in de schijf die hoogstwaarschijnlijk de steile daling in röntgenstralen verklaart.

Niet iedereen is het met deze analyse eens. een andere uitleg, geschreven door DESY's Walter Winter en Cecilia Lunardini, een professor aan de Arizona State University in Tempe, stelt voor dat de emissie afkomstig was van een straaljager die snel werd verduisterd door een wolk van puin. De onderzoekers publiceerden hun alternatieve interpretatie in hetzelfde nummer van Natuurastronomie .

Astronomen denken dat de radiostraling bij deze verschijnselen afkomstig is van de deeltjes die het zwarte gat versnellen, hetzij in jets of meer gematigde uitstromen. Het team van Stein denkt dat AT2019dsg in de laatste categorie valt. De wetenschappers ontdekten ook dat de radio-emissie maandenlang gestaag doorging en niet vervaagde samen met het zichtbare en UV-licht, zoals eerder werd aangenomen.

De neutrino-detectie, gecombineerd met de multigolflengtemetingen, zette Stein en zijn collega's ertoe aan te heroverwegen hoe getijdenverstoringen energierijke neutrino's zouden kunnen produceren.

De radio-emissie laat zien dat deeltjesversnelling zelfs zonder duidelijke, krachtige jets en kunnen goed werken na piek-UV en zichtbare helderheid. Stein en zijn collega's suggereren dat die versnelde deeltjes neutrino's kunnen produceren in drie verschillende gebieden van de getijdenverstoring:in de buitenste schijf door botsingen met UV-licht, in de binnenste schijf door botsingen met röntgenstralen, en in de matige uitstroom van deeltjes door botsingen met andere deeltjes.

Stein's team suggereert dat AT2019dsg's neutrino waarschijnlijk afkomstig is van het UV-heldere buitenste deel van de schijf, gebaseerd op het feit dat de energie van het deeltje meer dan 10 keer groter was dan kan worden bereikt door deeltjesversnellers.

"We voorspelden dat neutrino's en getijdenverstoringen gerelateerd zouden kunnen zijn, en dat voor het eerst in de data zien is gewoon heel spannend, ", aldus co-auteur Sjoert van Velzen, een assistent-professor aan de Universiteit Leiden in Nederland. "Dit is een ander voorbeeld van de kracht van multimessenger-astronomie, gebruik van een combinatie van licht, deeltjes, en ruimte-tijd rimpelingen om meer over de kosmos te leren. Toen ik afstudeerder was, er werd vaak voorspeld dat dit nieuwe tijdperk van de astronomie zou komen, maar om er nu echt deel van uit te maken is zeer de moeite waard."