Een spookachtig deeltje terugleidend naar een verscheurde ster, wetenschappers hebben een gigantische kosmische deeltjesversneller ontdekt. Het subatomaire deeltje, een neutrino genoemd, werd naar de aarde geslingerd nadat de gedoemde ster te dicht bij het superzware zwarte gat in het centrum van zijn eigen melkwegstelsel kwam en uit elkaar werd gescheurd door de kolossale zwaartekracht van het zwarte gat. Het is het eerste deeltje dat kan worden herleid tot een dergelijke 'getijdenverstoring' (TDE) en levert het bewijs dat deze weinig begrepen kosmische catastrofes krachtige natuurlijke deeltjesversnellers kunnen zijn, zoals het team onder leiding van DESY-wetenschapper Robert Stein in het tijdschrift meldt Natuur astronomie. De waarnemingen demonstreren ook de kracht van het verkennen van de kosmos via een combinatie van verschillende 'boodschappers' zoals fotonen (de lichtdeeltjes) en neutrino's, ook bekend als multi-messenger astronomie.

Het neutrino begon zijn reis zo'n 700 miljoen jaar geleden, rond de tijd dat de eerste dieren zich op aarde ontwikkelden. Dat is de reistijd die het deeltje nodig had om van ver weg te komen, naamloos sterrenstelsel (gecatalogiseerd als 2MASX J20570298 + 1421165) in het sterrenbeeld Delphinus (The Dolphin) naar de aarde. Wetenschappers schatten dat het enorme zwarte gat zo zwaar is als 30 miljoen zonnen. "De zwaartekracht wordt sterker en sterker, hoe dichter je bij iets komt. Dat betekent dat de zwaartekracht van het zwarte gat de nabije kant van de ster sterker trekt dan de verre kant van de ster. wat leidt tot een rekbaar effect, " legt Stein uit. "Dit verschil wordt een getijdenkracht genoemd, en als de ster dichterbij komt, dit uitrekken wordt extremer. Uiteindelijk scheurt het de ster uit elkaar, en dan noemen we het een getijdenverstoring. Het is hetzelfde proces dat leidt tot oceaangetijden op aarde, maar gelukkig voor ons trekt de maan niet hard genoeg om de aarde te versnipperen."

Ongeveer de helft van het puin van de ster werd de ruimte in geslingerd, terwijl de andere helft neerkwam op een wervelende schijf rond het zwarte gat. Deze accretieschijf lijkt enigszins op de werveling van water boven de afvoer van een badkuip. Alvorens in de vergetelheid te storten, de materie van de accretieschijf wordt heter en heter en straalt helder. Deze gloed werd voor het eerst gedetecteerd door de Zwicky Transient Facility (ZTF) op Mount Palomar in Californië op 9 april 2019.

Een half jaar later, op 1 oktober 2019 registreerde de IceCube-neutrinodetector op de Zuidpool een extreem energetisch neutrino uit de richting van de getijdenverstoring. "Het sloeg in op het Antarctische ijs met een opmerkelijke energie van meer dan 100 tera-elektronvolts, " zegt co-auteur Anna Franckowiak van DESY, die nu hoogleraar is aan de universiteit van Bochum. "Ter vergelijking, dat is minstens tien keer de maximale deeltjesenergie die kan worden bereikt in 's werelds krachtigste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider in het Europese laboratorium voor deeltjesfysica CERN in de buurt van Genève."

Extreem lichtgewicht

De extreem lichtgewicht neutrino's hebben nauwelijks interactie met iets, onopgemerkt door niet alleen muren maar hele planeten of sterren kunnen gaan, en worden daarom vaak spookdeeltjes genoemd. Dus, zelfs het vangen van slechts één hoogenergetisch neutrino is al een opmerkelijke observatie. Analyse toonde aan dat dit specifieke neutrino slechts een kans van één op 500 had om puur samen te vallen met de TDE. De detectie leidde tot verdere observaties van de gebeurtenis met veel instrumenten over het elektromagnetische spectrum, van radiogolven tot röntgenstralen.

"Dit is het eerste neutrino dat is gekoppeld aan een getijdenverstoring, en het brengt ons waardevol bewijs, " legt Stein uit. "Getijdenverstoringen worden niet goed begrepen. De detectie van het neutrino wijst op het bestaan ​​van een centraal, krachtige motor bij de accretieschijf, snelle deeltjes uitspuwen. En de gecombineerde analyse van gegevens van radio, optische en ultraviolette telescopen geven ons aanvullend bewijs dat de TDE werkt als een gigantische deeltjesversneller."

De waarnemingen kunnen het best worden verklaard door een energetische uitstroom van snelle materiestralen die uit het systeem schieten, die worden geproduceerd door de centrale motor en die honderden dagen meegaan. Dit is ook wat nodig is om de waarnemingsgegevens te verklaren, als Walter Winter, hoofd van de theoretische astrodeeltjesfysica-groep bij DESY, en zijn collega-theoreticus Cecilia Lunardini van de Arizona State University, hebben aangetoond in een theoretisch model gepubliceerd in hetzelfde nummer van Natuurastronomie. "Het neutrino verscheen relatief laat, een half jaar nadat het sterrenfeest was begonnen. Ons model verklaart deze timing op natuurlijke wijze, ' zegt Winter.

De kosmische versneller spuwt verschillende soorten deeltjes uit, maar afgezien van neutrino's en fotonen, deze deeltjes zijn elektrisch geladen en worden dus tijdens hun reis afgebogen door intergalactische magnetische velden. Alleen de elektrisch neutrale neutrino's kunnen in een rechte lijn als licht van de bron naar de aarde reizen en zo waardevolle boodschappers worden van dergelijke systemen.

"De gecombineerde waarnemingen demonstreren de kracht van multi-messenger astronomie, " zegt co-auteur Marek Kowalski, hoofd neutrino-astronomie bij DESY en professor aan de Humboldt-universiteit in Berlijn. "Zonder de detectie van de getijdenverstoring, het neutrino zou slechts een van de vele zijn. En zonder het neutrino, de waarneming van de getijdenverstoring zou slechts een van de vele zijn. Alleen door de combinatie konden we het gaspedaal vinden en iets nieuws leren over de processen binnenin." De associatie van het hoogenergetische neutrino en de getijdenverstoring werd gevonden door een geavanceerd softwarepakket genaamd AMPEL, speciaal ontwikkeld bij DESY om te zoeken naar correlaties tussen IceCube-neutrino's en astrofysische objecten die zijn gedetecteerd door de Zwicky Transient Facility.

Topje van de ijsberg?

De Zwicky Transient Facility is ontworpen om honderdduizenden sterren en sterrenstelsels in één opname vast te leggen en kan de nachtelijke hemel bijzonder snel inspecteren. Het hart ervan is de Samuel-Oschin-telescoop met een diameter van 1,3 m. Dankzij het grote gezichtsveld, ZTF kan drie nachten lang de hele lucht scannen, het vinden van meer variabele en voorbijgaande objecten dan enig ander optisch onderzoek ervoor. "Sinds onze start in 2018 hebben we tot nu toe meer dan 30 getijdenverstoringen gedetecteerd, meer dan een verdubbeling van het bekende aantal van dergelijke objecten, " zegt Sjoert van Velzen van de Leidse Sterrewacht, co-auteur van de studie. "Toen we ons realiseerden dat de op één na helderste TDE die door ons werd waargenomen de bron was van een hoogenergetisch neutrino geregistreerd door IceCube, we waren enthousiast."

"Misschien zien we hier nog maar het topje van de ijsberg. In de toekomst zullen we we verwachten nog veel meer associaties te vinden tussen hoogenergetische neutrino's en hun bronnen, " zegt Francis Halzen, Professor aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en hoofdonderzoeker van IceCube, die niet direct bij het onderzoek betrokken was. "Er wordt een nieuwe generatie telescopen gebouwd die een grotere gevoeligheid zullen bieden voor TDE's en andere toekomstige neutrinobronnen. Nog belangrijker is de geplande uitbreiding van de IceCube-neutrinodetector, dat zou het aantal detecties van kosmische neutrino's minstens vertienvoudigen." Deze TDE markeert pas de tweede keer, een hoogenergetisch kosmisch neutrino kon worden herleid tot zijn bron. in 2018, een multi-messenger-campagne presenteerde een actief sterrenstelsel, de blazar TXS 0506+056, als de eerste ooit geïdentificeerde bron van een hoogenergetisch neutrino, opgenomen door IceCube in 2017.