Voor meer dan een eeuw, wetenschappers hebben zeer hoogenergetische geladen deeltjes waargenomen, kosmische straling genaamd, die van buiten de atmosfeer van de aarde komen. De oorsprong van deze deeltjes is erg moeilijk vast te stellen omdat de deeltjes zelf niet op een recht pad naar de aarde reizen. Zelfs gammastraling, een type hoogenergetisch foton dat iets meer inzicht biedt, worden geabsorbeerd bij het afleggen van lange afstanden.

Het IceCube Neutrino-observatorium, een reeks optische modules begraven in een kubieke kilometer ijs op de Zuidpool, jaagt op bronnen van kosmische straling binnen en buiten onze melkweg - die zich uitstrekken tot sterrenstelsels meer dan miljarden lichtjaren verwijderd - met behulp van hints van ongrijpbare deeltjes die neutrino's worden genoemd. Deze neutrino's zullen naar verwachting worden geproduceerd door botsingen van kosmische straling met gas of straling in de buurt van de bronnen.

In tegenstelling tot kosmische straling, neutrino's worden niet geabsorbeerd of omgeleid op weg naar de aarde, waardoor ze een praktisch hulpmiddel zijn voor het lokaliseren en begrijpen van kosmische versnellers. Als wetenschappers een bron van hoogenergetische astrofysische neutrino's kunnen vinden, dit zou een rokend pistool zijn voor een kosmische stralingsbron.

Na 10 jaar zoeken naar de oorsprong van astrofysische neutrino's, een nieuwe zoektocht door de hele hemel biedt de meest gevoelige sonde van tijdgeïntegreerde neutrino-emissie van puntachtige bronnen. The IceCube Collaboration presenteert de resultaten van deze scan in een paper dat onlangs is ingediend bij Fysieke beoordelingsbrieven .

Tessa Carver leidde deze analyse onder toezicht van Teresa Montaruli in het Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire aan de Universiteit van Genève in Zwitserland. "IceCube heeft al een astrofysische stroom van neutrino's waargenomen, dus we weten dat ze bestaan ​​en detecteerbaar zijn - we weten alleen niet precies waar ze vandaan komen, " zegt Carver, nu een postdoc aan de Cardiff University. "Het is slechts een kwestie van tijd en precisie totdat we de bronnen achter deze neutrinostroom kunnen identificeren."

De belangrijkste uitdaging bij het zoeken naar astrofysische neutrinobronnen met IceCube is de overweldigende achtergrond van gebeurtenissen veroorzaakt door kosmische stralingsinteracties in onze atmosfeer. Het signaal van zwakke neutrinobronnen moet worden geëxtraheerd via geavanceerde statistische analysetechnieken.

Met behulp van deze methoden, Carver en haar medewerkers "scanden" de hele hemel af om te zoeken naar puntachtige neutrinobronnen op willekeurige locaties. Deze scanmethode is in staat om zeer heldere neutrinobronnen te identificeren die onzichtbaar zouden kunnen zijn in gammastralen, die ook worden geproduceerd in botsingen met kosmische straling.

Om gevoelig te zijn voor dimmerbronnen, ze analyseerden ook 110 galactische en extragalactische bronkandidaten, die via gammastraling zijn waargenomen. Vervolgens combineerden ze de verkregen resultaten voor individuele bronnen in deze lijst in een "populatieanalyse, " die zoekt naar een hoger dan verwacht aantal significante resultaten van het zoeken in de individuele bronnenlijst. Dit stelt onderzoekers in staat om significante neutrino-emissie te vinden, zelfs als bronnen in de lijst te zwak zijn om afzonderlijk te worden bekeken.

Onderzoekers gebruikten ook een "stapelzoekopdracht" voor drie catalogi van gammastralingsbronnen in onze melkweg. Deze zoektocht brengt alle emissie van groepen bekende objecten van hetzelfde type bij elkaar in de veronderstelling dat ze bekende emissie-eigenschappen hebben. Hoewel het de emissie per bron die nodig is om een ​​grote overmaat aan signaal op de achtergrond waar te nemen, aanzienlijk kan verminderen, deze zoektocht is beperkt in die zin dat er meer kennis nodig is van de bronnen in de catalogus.

Hoewel de verschillende analyses geen stabiele neutrinobronnen hebben ontdekt, de resultaten zijn niettemin opwindend:sommige objecten in de catalogus van bekende bronnen vertoonden een hogere neutrinoflux dan verwacht, met excessen op het 3σ-niveau. Vooral, de all-sky scan onthulde dat de "heetste" locatie aan de hemel slechts 0,35 graden verwijderd is van het starburst-stelsel NGC 1068, die een overschot van 2,9 "op de achtergrond heeft. NGC 1068 is een van de dichtstbijzijnde zwarte gaten voor ons; het is ingebed in een stervormingsgebied met veel materie waarmee neutrino's kunnen interageren, terwijl de hoogenergetische gammastralen worden verzwakt, zoals blijkt uit metingen van Fermi en MAGIC. Dit is de meest significante overschrijding naast TXS 0506+056, de bron uit 2017 waarvan IceCube ontdekte dat deze samenviel met een gammaflits. Nog altijd, deze potentiële neutrinobronnen hebben meer data nodig met een gevoeligere detector, zoals IceCube-Gen2, te bevestigen.

De onderzoekers ontdekten ook dat de broncatalogus van het noordelijk halfrond als geheel afweek van de achtergrondverwachtingen met een significantie van 3,3 . Carver zegt dat deze resultaten een sterke motivatie tonen om door te gaan met het analyseren van de objecten in de catalogus. Tijdsafhankelijke analyses, die zoeken naar uitbarstingen van piekemissie, en de mogelijkheid om neutrino-emissie te correleren met elektromagnetische of zwaartekrachtsgolfwaarnemingen voor deze en andere bronnen kan aanvullend bewijs leveren van neutrino-emissie en inzicht in de oorsprong van de neutrino's. Met voortdurende gegevensverzameling, meer verfijnde richtingsreconstructie, en de aanstaande IceCube-upgrade, verdere verbeteringen in de gevoeligheid zijn in het verschiet.

"We hebben het geluk dat we de unieke kans hebben om de eerste mensen te zijn die het universum in kaart hebben gebracht met neutrino's, die een geheel nieuw perspectief biedt, "zegt Carver. "Ook, deze vooruitgang in de neutrino-astronomie gaat gepaard met grote vooruitgang in de fysica van zwaartekrachtgolven en de fysica van kosmische straling."

Montaruli voegt toe, "Terwijl we aan het begin staan ​​van een nieuw tijdperk in de astronomie dat het universum niet alleen met licht waarneemt, dit is de eerste keer dat we potentieel significante excessen van kandidaat-neutrino-gebeurtenissen rond interessante extragalactische objecten beginnen te zien in tijdonafhankelijke zoekopdrachten."