Zeer energiek en moeilijk te detecteren, neutrino's reizen miljarden lichtjaren voordat ze onze planeet bereiken. Hoewel bekend is dat deze elementaire deeltjes uit de diepten van ons heelal komen, is hun precieze oorsprong nog onbekend. Een internationaal onderzoeksteam, geleid door de Universiteit van Würzburg en de Universiteit van Genève (UNIGE), werpt licht op één aspect van dit mysterie:neutrino's zouden worden geboren in blazars, galactische kernen die worden gevoed door superzware zwarte gaten. Deze resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift The Astrophysical Journal Letters .

De atmosfeer van de aarde wordt continu gebombardeerd door kosmische straling. Deze bestaan ​​uit elektrisch geladen deeltjes met energieën tot 10 ²⁰ elektron volt. Dat is een miljoen keer meer dan de energie die wordt bereikt in 's werelds krachtigste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider bij Genève. De extreem energetische deeltjes komen uit de verre ruimte, ze hebben miljarden lichtjaren gereisd. Waar komen ze vandaan, wat schiet ze met zo'n enorme kracht door het universum? Deze vragen behoren al meer dan een eeuw tot de grootste uitdagingen van de astrofysica.

De geboorteplaatsen van kosmische straling produceren neutrino's. Neutrino's zijn neutrale deeltjes die moeilijk te detecteren zijn. Ze hebben bijna geen massa en hebben nauwelijks interactie met materie. Ze racen door het heelal en kunnen bijna spoorloos door sterrenstelsels, planeten en het menselijk lichaam reizen. "Astrofysische neutrino's worden uitsluitend geproduceerd in processen waarbij kosmische stralingsversnelling betrokken is", legt professor astrofysica Sara Buson van de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland uit. Dit is precies wat deze neutrino's unieke boodschappers maakt die de weg vrijmaken om bronnen van kosmische straling te lokaliseren.

Een stap voorwaarts in een controversieel debat

Ondanks de enorme hoeveelheid gegevens die astrofysici hebben verzameld, is de associatie van hoogenergetische neutrino's met de astrofysische bronnen waaruit ze afkomstig zijn, al jaren een onopgelost probleem. Sara Buson heeft het altijd als een grote uitdaging beschouwd. Het was in 2017 dat de onderzoeker en medewerkers voor het eerst een blazar (TXS 0506+056) in de discussie brachten als vermeende neutrinobron in het tijdschrift Science . Blazars zijn actieve galactische kernen die worden aangedreven door superzware zwarte gaten die veel meer straling uitzenden dan hun hele melkwegstelsel. De publicatie leidde tot een wetenschappelijk debat over de vraag of er echt een verband is tussen blazars en hoogenergetische neutrino's.

Na deze eerste bemoedigende stap begon de groep van prof. Buson in juni 2021 met de steun van de European Research Council aan een ambitieus multi-messenger onderzoeksproject. Dit omvat het analyseren van verschillende signalen ("boodschappers", bijvoorbeeld neutrino's) uit het universum. Het belangrijkste doel is om licht te werpen op de oorsprong van astrofysische neutrino's, en mogelijk met grote zekerheid blazars te vestigen als de eerste bron van extragalactische hoogenergetische neutrino's.

Het project boekt nu zijn eerste succes:In het tijdschrift Astrophysical Journal Letters , meldt Sara Buson, samen met haar groep, de voormalige postdoc Raniere de Menezes (JMU) en met Andrea Tramacere van de Universiteit van Genève, dat blazars met een ongekende mate van zekerheid met vertrouwen in verband kunnen worden gebracht met astrofysische neutrino's.

De rol van blazars onthullen

Andrea Tramacere is een van de experts in numerieke modellering van versnellingsprocessen en stralingsmechanismen die optreden in relativistische jets - uitstromen van versnelde materie die de snelheid van het licht benaderen - in het bijzonder blazar-jets. "Het accretieproces en de rotatie van het zwarte gat leiden tot de vorming van relativistische jets, waarbij deeltjes worden versneld en straling uitzenden tot energieën van duizend miljard van die van zichtbaar licht! De ontdekking van het verband tussen deze objecten en de kosmische stralen kunnen de 'Rosetta-steen' zijn van de hoogenergetische astrofysica."

Om tot deze resultaten te komen, gebruikte het onderzoeksteam neutrinogegevens van het IceCube Neutrino Observatory op Antarctica - de meest gevoelige neutrinodetector die momenteel in bedrijf is - en BZCat, een van de meest nauwkeurige catalogi van blazars. "Met deze gegevens moesten we bewijzen dat de blazars waarvan de richtingsposities samenvielen met die van de neutrino's er niet toevallig waren." Om dit te doen, ontwikkelde de UNIGE-onderzoeker een software die kan inschatten in hoeverre de distributies van deze objecten aan de hemel er hetzelfde uitzien. "Na verschillende keren met de dobbelstenen te hebben gegooid, ontdekten we dat de willekeurige associatie die van de echte gegevens slechts één keer in een miljoen proeven kan overschrijden! Dit is een sterk bewijs dat onze associaties correct zijn."

Ondanks dit succes is het onderzoeksteam van mening dat dit eerste voorbeeld van objecten slechts het "topje van de ijsberg" is. Dit werk heeft hen in staat gesteld om 'nieuw observationeel bewijs' te verzamelen, wat het belangrijkste ingrediënt is voor het bouwen van meer realistische modellen van astrofysische versnellers. "Wat we nu moeten doen, is begrijpen wat het belangrijkste verschil is tussen objecten die neutrino's uitstoten en objecten die dat niet doen. Dit zal ons helpen te begrijpen in welke mate de omgeving en de versneller met elkaar 'praten'. We zullen dan in staat zijn om sommige modellen uit te sluiten, de voorspellende kracht van anderen te verbeteren en, ten slotte, meer stukjes toe te voegen aan de eeuwige puzzel van kosmische stralingsversnelling." + Verder verkennen

Gammastraling en neutrino's van zachte superzware zwarte gaten