Po raz pierwszy międzynarodowy zespół naukowców znalazł dowody na emisję wysokoenergetycznych neutrin z NGC 1068, znanej również jako Messier 77, aktywnej galaktyki w konstelacji Wieloryba i jednej z najbardziej znanych i najlepiej zbadanych galaktyk do tej pory. Po raz pierwszy dostrzeżona w 1780 roku galaktyka ta, położona 47 milionów lat świetlnych od nas, może być obserwowana przez duże lornetki. Wyniki, które mają zostać opublikowane jutro (4 listopada 2022 r.) w czasopiśmie Science, zostały dziś udostępnione podczas internetowego internetowego seminarium naukowego, które zgromadziło ekspertów, dziennikarzy i naukowców z całego świata.
Wykrycia dokonano we wspieranym przez National Science Foundation IceCube Neutrino Observatory, ogromnym teleskopie neutrinowym obejmującym 1 miliard ton oprzyrządowanego lodu na głębokości od 1,5 do 2,5 kilometra pod powierzchnią Antarktydy w pobliżu bieguna południowego. Ten wyjątkowy teleskop, który bada najdalsze zakątki naszego Wszechświata za pomocą neutrin, zgłosił pierwszą obserwację wysokoenergetycznego astrofizycznego źródła neutrin w 2018 roku. Źródło, TXS 0506+056, to znany blazar znajdujący się poza lewym ramieniem Oriona. gwiazdozbiorze i 4 miliardy lat świetlnych stąd.
„Jedno neutrino może wskazać źródło. Ale tylko obserwacja z wieloma neutrinami ujawni przesłonięty rdzeń najbardziej energetycznych obiektów kosmicznych” – mówi Francis Halzen, profesor fizyki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison i główny badacz IceCube. Dodaje: „IceCube zgromadził około 80 neutrin o energii teraelektronowoltowej z NGC 1068, co jeszcze nie wystarcza, aby odpowiedzieć na wszystkie nasze pytania, ale z pewnością stanowią kolejny duży krok w kierunku urzeczywistnienia astronomii neutrin”.
W przeciwieństwie do światła, neutrina mogą uciekać w dużych ilościach z niezwykle gęstych środowisk we wszechświecie i docierać do Ziemi w dużej mierze niezakłócone przez materię i pola elektromagnetyczne, które przenikają przestrzeń pozagalaktyczną. Chociaż naukowcy przewidzieli astronomię neutrin ponad 60 lat temu, słabe oddziaływanie neutrin z materią i promieniowaniem sprawia, że ich wykrycie jest niezwykle trudne. Neutrina mogą być kluczem do naszych pytań o działanie najbardziej ekstremalnych obiektów w kosmosie.
„Odpowiedź na te dalekosiężne pytania dotyczące wszechświata, w którym żyjemy, jest głównym celem amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki” – mówi Denise Caldwell, dyrektor Wydziału Fizyki NSF.
Podobnie jak w przypadku naszej macierzystej galaktyki, Drogi Mlecznej, NGC 1068 jest galaktyką spiralną z poprzeczką, z luźno nawiniętymi ramionami i stosunkowo małym zgrubieniem centralnym. Jednak w przeciwieństwie do Drogi Mlecznej, NGC 1068 jest galaktyką aktywną, w której większość promieniowania nie jest wytwarzana przez gwiazdy, ale z powodu materiału wpadającego do czarnej dziury miliony razy masywniejszej niż nasze Słońce i jeszcze masywniejszej niż nieaktywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki.
NGC 1068 to aktywna galaktyka — w szczególności typ Seyferta II — widziana z Ziemi pod kątem przesłaniającym jej centralny obszar, w którym znajduje się czarna dziura. W galaktyce Seyferta II torus pyłu jądrowego przesłania większość promieniowania wysokoenergetycznego wytwarzanego przez gęstą masę gazu i cząstek, które powoli krążą do wewnątrz w kierunku centrum galaktyki.
„Ostatnie modele środowisk czarnych dziur w tych obiektach sugerują, że gaz, pył i promieniowanie powinny blokować promienie gamma, które w przeciwnym razie towarzyszyłyby neutrinom” – mówi Hans Niederhausen, doktor habilitowany na Michigan State University i jeden z głównych analizatorów papier. „Ta detekcja neutrin z jądra NGC 1068 poprawi nasze zrozumienie środowisk wokół supermasywnych czarnych dziur”.
Według Theo Glaucha, habilitanta na Uniwersytecie Technicznym w Monachium (TUM) w Niemczech, NGC 1068 może stać się standardową świecą dla przyszłych teleskopów neutrinowych i kolejnym głównym analizatorem.
„To już bardzo dobrze zbadany obiekt dla astronomów, a neutrina pozwolą nam zobaczyć tę galaktykę w zupełnie inny sposób. Nowy widok z pewnością przyniesie nowe spostrzeżenia” – mówi Glauch.
Według Ignacio Taboady, profesora fizyki z Georgia Institute of Technology i rzecznika IceCube Collaboration, odkrycia te stanowią znaczną poprawę w stosunku do wcześniejszych badań nad NGC 1068 opublikowanych w 2020 roku.
„Część tego ulepszenia pochodzi z ulepszonych technik, a część z ostrożnej aktualizacji kalibracji detektora”, mówi Taboada. „Praca zespołów ds. operacji detektora i kalibracji umożliwiła lepsze rekonstrukcje kierunkowe neutrin, aby precyzyjnie wskazać NGC 1068 i umożliwić tę obserwację. Rozwiązanie tego źródła było możliwe dzięki ulepszonym technikom i udoskonalonym kalibracjom, będącym wynikiem ciężkiej pracy zespołu IceCube Collaboration”.
Ulepszona analiza wskazuje drogę w kierunku lepszych obserwatoriów neutrin, które już są w toku.
„To wspaniała wiadomość dla przyszłości naszej branży”, mówi Marek Kowalski, współpracownik IceCube i starszy naukowiec w Deutsches Elektronen-Synchrotron w Niemczech. „Oznacza to, że dzięki nowej generacji bardziej czułych detektorów będzie wiele do odkrycia. Przyszłe obserwatorium IceCube-Gen2 mogłoby nie tylko wykryć znacznie więcej tych ekstremalnych akceleratorów cząstek, ale także umożliwiłoby ich badanie przy jeszcze wyższych energiach. IceCube wręczył nam mapę do skarbca.”
Dzięki pomiarom neutrin TXS 0506+056 i NGC 1068 IceCube jest o krok bliżej odpowiedzi na stuletnie pytanie o pochodzenie promieni kosmicznych. Ponadto wyniki te sugerują, że we wszechświecie może być jeszcze więcej podobnych obiektów, które nie zostały jeszcze zidentyfikowane.
„Odsłonięcie przesłoniętego wszechświata właśnie się rozpoczęło, a neutrina zapoczątkują nową erę odkryć w astronomii” – mówi Elisa Resconi, profesor fizyki w TUM i inny główny analizator.
„Kilka lat temu NSF zainicjowała ambitny projekt mający na celu poszerzenie naszej wiedzy o Wszechświecie poprzez połączenie istniejących możliwości w dziedzinie astronomii optycznej i radiowej z nowymi zdolnościami do wykrywania i pomiaru zjawisk, takich jak neutrina i fale grawitacyjne” – mówi Caldwell. „Identyfikacja przez IceCube Neutrino Observatory sąsiedniej galaktyki jako kosmicznego źródła neutrin to dopiero początek tego nowego i ekscytującego pola, które obiecuje wgląd w nieodkrytą moc masywnych czarnych dziur i inne fundamentalne właściwości wszechświata”.