Το παρατηρητήριο IceCube ανίχνευσε για πρώτη φορά νετρίνα από έναν ενεργό γαλαξία
Στον ζωολογικό κήπο των υποατομικών σωματιδίων, τα νετρίνα είναι περίεργα θηρία. Σε αντίθεση με τα πιο γνωστά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, τα απόκοσμα νετρίνα μόλις και μετά βίας αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη: μπορούν για παράδειγμα να διασχίσουν έναν ολόκληρο πλανήτη χωρίς καμία αλληλεπίδραση. Αυτό κάνει ενοχλητικά δύσκολη την ανίχνευση των νετρίνων που φτανουν στην Γη από μακρινά αστρονομικά αντικείμενα του σύμπαντος, και πολύ πιο δυσκολότερο τον προσδιορισμό της πηγής προέλευσής τους. Παρ’ όλες αυτές τις δυσκολίες, σε μια πρόσφατη έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, αναφέρεται ο εντοπισμός μιας εξωγαλαξιακής πηγής νετρίνων.
Για πρώτη φορά, οι αστρονόμοι εντόπισαν νετρίνα από τον NGC 1068 (ή Messier 77 ή M77), έναν γαλαξία με μια τεράστια μαύρη τρύπα στο κέντρο του. Τα νετρίνα δημιουργούνται πάνω από το «σημείο χωρίς επιστροφή» της μαύρης τρύπας – τον ορίζοντα γεγονότων της – αν και δεν είναι ξεκάθαρο με ποιον μηχανισμό προκύπτουν. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι αυτή η ανακάλυψη θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο κατανοούν όχι μόνο τον γαλαξία NGC 1068 αλλά και παρόμοιους με αυτόν γαλαξίες. Όμως το σημαντικό είναι η ανακάλυψη μιας αμυδρής αλλά εντοπισμένης πηγής των νετρίνων, δεδομένου ότι αυτά τα σωματίδια βομβαρδίζουν ακατάπαυστα από όλες τις κατευθύνσεις την Γη.
Το υλικό που πέφτει προς μια μαύρη τρύπα σχηματίζει πρώτα έναν πεπλατυσμένο δίσκο προσαύξησης που περιστρέφεται γύρω από αυτήν. Η τριβή θερμαίνει αυτόν τον δίσκο ύλης σε τεράστιες θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα να ακτινοβολεί τόσο έντονα που ξεπερνά σε λάμψη ολόκληρο τον γαλαξία-ξενιστή της μαύρης τρύπας. Αυτοί οι γαλαξίες ονομάζονται «ενεργοί γαλαξίες» και είναι από τα πιο φωτεινά αντικείμενα του σύμπαντος.
Στην περίπτωση του γαλαξία NGC 1068, η ανίχνευση του ορατού φωτός είναι δύσκολη, γιατί απορροφάται σχεδόν από τα πυκνά νέφη της αδιαφανούς κοσμικής σκόνης. Όμως τα νετρίνα μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα τα νέφη σκόνης και να φτάσουν τελικά στη Γη.
Πώς όμως ανιχνεύονται τα νετρίνα όταν αυτά διασχίζουν αλώβητα την ύλη, επομένως και τους ανιχνευτές; Τα καλά νέα είναι ότι, και για τα νετρίνα, η ύλη είναι δεν είναι εντελώς διαφανής. Σε κάποιες εξαιρετικά σπάνιες περιπτώσεις, μερικά από αυτά καταφέρνουν να αλληλεπιδράσουν με την ύλη – αλλά απαιτείται ένας πολύ ειδικός τύπος παρατηρητηρίου για να εντοπιστούν.
Το Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube που βρίσκεται ‘θαμμένο’ κάτω από τον πάγο του Νότιου Πόλου της Γης, είναι ένας τέτοιος ανιχνευτής.
Όταν ένα νετρίνο διασχίζει τον πάγο, έχει κάποιες μικρές πιθανότητες να αλληλεπιδράσει με τον πυρήνα ενός από τα άτομα οξυγόνου ή υδρογόνου του πάγου. Μια τέτοια σκέδαση είναι εξαιρετικά σπάνια: τρισεκατομμύρια νετρίνων περνούν από κάθε κυβικό εκατοστό ύλης στη Γη κάθε δευτερόλεπτο, αλλά τέτοιες μετρήσιμες αλληλεπιδράσεις συμβαίνουν ελάχιστες ανά εβδομάδα.
Όμως όταν συμβαίνουν, δημιουργούνται υποατομικά θραύσματα υψηλής ταχύτητας, σωματίδια που απομακρύνονται από το σημείο της πυρηνικής σύγκρουσης με ταχύτητα λίγο μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Αυτά στη συνέχεια κινούνται μέσα από τον πάγο. Κι εδώ είναι το διασκεδαστικό μέρος: στην πραγματικότητα ταξιδεύουν ατον πάγο με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός.
Ωστόσο, κανένας νόμος της φυσικής δεν παραβιάζεται. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι το απόλυτο όριο κοσμικής ταχύτητας, αλλά η ταχύτητα του φωτός είναι μικρότερη όταν ταξιδεύει μέσα στην ύλη. Τα σωματίδια δεν μπορούν να κινηθούν ταχύτερα από το φως στο κενό, αλλά μπορούν να ταξιδέψουν ταχύτερα από το φως μέσα στην ύλη. Όταν το κάνουν, δημιουργούν το φωτονικό ανάλογο του ωστικού κύματος που δημιουργείται όταν σπάει το γράγμα της ταχύτητας διάδοσης του ήχου στον αέρα. Αυτά τα πιο γρήγορα από το φως γεγονότα εκδηλώνονται ως φωτεινές γαλαζωπές λάμψεις φωτός που ονομάζονται ακτινοβολία Cherenkov. H συστοιχία των 5000 απλών οπτικών αισθητήρων του παρατηρητηρίου Ice Cube, μπορεί να ανιχνεύσει την θέση και τις χρονικές στιγμές των μπλε λάμψεων φωτός.
Αυτή η τεχνική επιτρέπει στους επιστήμονες να ανιχνεύουν γεγονότα κοσμικών νετρίνων, αν και υπάρχει πρόβλημα με ανεπιθύμητα συμβάντα που μιμούνται τα αληθινά σήματα. Οι κοσμικές ακτίνες, υποατομικά σωματίδια που προέρχονται από διάφορες αστρονομικές πηγές, μπορούν να χτυπήσουν την ατμόσφαιρα και να δημιουργήσουν παρόμοιες λάμψεις φωτός, μπερδεύοντας τις μετρήσεις. Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν να διαφοροποιήσουν τα δύο είδη σημάτων με έναν έξυπνο τρόπο: χρησιμοποιούν την ίδια τη Γη ως ένα τεράστιο φίλτρο. Τα νετρίνα που προέρχονται από το διάστημα θα προέρχονται από κάθε κατεύθυνση, και διαμέσου Γης. Όμως οι κοσμικές ακτίνες θα έρθουν μόνο από τον ουρανό πάνω από το παρατηρητήριο της Ανταρκτικής. Οι ανιχνευτές στο IceCube μπορούν να καθορίσουν την κατεύθυνση και να φιλτράρουν τα γεγονότα που έρχονται από ψηλά, έτσι ώστε οι επιστήμονες να ξεχωρίζουν τα σήματα από τα κοσμικά νετρίνα.
Το IceCube έχει ανιχνεύσει εκατομμύρια τέτοια συμβάντα από νετρίνα, πολλά από τα οποία φαίνεται να προέρχονται από πηγές ομοιόμορφα διασπαρμένες στον ουρανό. Κάπου εκεί έξω στο σύμπαν υπάρχει τεράστιο πλήθος πηγών νετρίνων. Το ερώτημα είναι: ποιά είναι η φύση τους;
Εξετάζοντας τα δεδομένα που λήφθησαν από το 2011 έως το 2020 από το IceCube – ένα πλήθος επιστημόνων, μηχανικών, αναλυτών δεδομένων κλπ- επεξεργάστηκε πολύ προσεκτικά κάθε γεγονός που εντόπισε. Χρησιμοποιώντας τις κατευθυντικές πληροφορίες από τις λάμψεις για να εντοπίσουν τις τροχιές των εισερχόμενων κοσμικών νετρίνων, βρήκαν διάφορα σημεία στον ουρανό που φαινόταν να είναι στατιστικά σημαντικές πηγές νετρίνων.
Ποιά ήταν η ανίχνευση με τον μεγαλύτερο αριθμό νετρίνων; Συνολικά 79 (συν ή πλην 20 περίπου) νετρίνα κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου προέρχονταν από την κατεύθυνση του NGC 1068.
Αυτός ο σπειροειδής γαλαξίας βρίσκεται σχετικά κοντά, μόλις 47 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, και είναι αρκετά φωτεινός ώστε να μπορεί να εντοπιστεί με κιάλια. Παλαιότερες εργασίες που αναλύουν τα νετρίνα του IceCube υποδεικνύουν τον NGC 1068 ως πιθανή πηγή νετρίνων, αλλά τα δεδομένα δεν ήταν αρκετά για να υποστηρίξουν μια ανακάλυψη. Τα νέα αποτελέσματα μπορούν να το κάνουν
Η ανίχνευση των νετρίνων που φαινομενικά προέρχονται από αυτόν τον ενεργό γαλαξία είναι πολύ σημαντική. Τα νετρίνα που είδαν οι αστρονόμοι έχουν εκπληκτικά υψηλή ενέργεια, πάνω από ένα τερα-ηλεκτρονιοβολτ (ΤeV) το καθένα. Αυτή είναι τρισεκατομμύρια φορές η ενέργεια των φωτονίων του ορατού φωτός που βλέπουμε να προέρχονται από τον γαλαξία. Η τεράστια ενέργεια των σωματιδίων θα μπορούσε να δημιουργηθεί σε έναν εξαιρετικά ισχυρό επιταχυντή κοσμικών σωματιδίων και το περιβάλλον μιας τεράστιας μαύρης τρύπας μπορεί να παίξει αυτόν το ρόλο.
Για παράδειγμα, το τυρβώδες ιονισμένο πλάσμα της ύλης πάνω και κάτω από το δίσκο του υλικού γύρω από τη μαύρη τρύπα είναι υπερβολικά θερμό και περιέχει ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία που μπορούν να δώσουν τεράστιες ενέργειες σε σωματίδια, επιταχύνοντάς τα σχεδόν μέχρι την ταχύτητα φωτός. Ένας άλλος τρόπος επιτάχυνσης σωματιδίων περιλαμβάνει το μαγνητικό πεδίο στον δίσκο προσαύξησης που συστρέφεται κοντά στη μαύρη τρύπα, δημιουργώντας δίδυμους πίδακες, που μπορούν επίσης να εκτοξεύσουν σωματίδια με υψηλές ταχύτητες. Τα κρουστικά κύματα που δημιουργούνται στους πίδακες καθώς τα φορτισμένα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους μπορούν επίσης να δημιουργήσουν τις συνθήκες που απαιτούνται για τον σχηματισμό νετρίνων υψηλής ενέργειας. Τέτοιοι πίδακες είναι γνωστό ότι υπάρχουν στον NGC 1068.
Η ανίχνευση αυτών των νετρίνων από τον NGC 1068 θα δώσει στους αστρονόμους μια εικόνα για τις διαδικασίες και τους μηχανισμούς που τα δημιουργούν. Πρόκειται για επιπλέον γνώσεις, δεδομένης της μυστηριώδους φύσης των μαύρων τρυπών. Και παρότι μόνο μερικές δεκάδες νετρίνα από τον γαλαξία NGC 1068 εντοπίστηκαν στη Γη, οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν τον συνολικό αριθμό των νετρίνων που παράγονται στο περιβάλλον της μαύρης τρύπας, ο οποίος τόσο μεγάλος ώστε να μεταφέρουν 10 δισεκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που εκπέμπει ο ήλιος!
Αυτές οι παρατηρήσεις παρέχουν επίσης μια σημαντική ερμηνεία για ένα άλλο μυστήριο. Τα νετρίνα φτάνουν στη Γη από όλες τις κατευθύνσεις, δημιουργώντας μια ακτινοβολία υποβάθρου νετρίνων από το διάστημα. Οι πηγές αυτής της ακτινοβολίας ήταν δύσκολο να εντοπιστούν. Όμως, εντοπίστηκαν νετρίνα και από αρκετούς άλλους ενεργούς γαλαξίες στα δεδομένα του IceCube (αν και με λιγότερη στατιστική ακρίβεια από εκείνα του NGC 1068). Υπάρχουν πολλά εκατομμύρια τέτοιων γαλαξιών κατανεμημένων σε όλο το σύμπαν. Τα νέα δεδομένα δείχνουν ότι, αν αυτοί οι πιο μακρινοί γαλαξίες εκπέμπουν νετρίνα όπως ο NGC 1068, τότε θα μπορούσαν να είναι η πηγή του κοσμικού υποβάθρου των νετρίνων. Πρόκειται για ένα φαινόμενο ανάλογο με το φως των μεμονωμένων άστρων του Γαλαξία μας, που φαίνεται στον νυχτερινό ουρανό (μακριά από την φωτορύπανση των πόλεων) ως μια συνεχής ζώνη αμυδρού φωτός.
Δεν πέρασε πολύς καιρός από τότε που γνωρίζαμε μόνο δύο αστρονομικές πηγές νετρίνων: τον ήλιο, όπου τα νετρίνα δημιουργούνται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα του, και το σουπερνόβα 1987A που προέκυψε από την έκρηξη ενός σχετικά κοντινού άστρο και δυο ώρες πριν την (οπτική) έναρξη του φαινομένου οι ανιχνευτές νετρίνων κατέγραψαν μια σύντομης διάρκειας αυξημένη διέλευση νετρίνων από τη Γη.
Κάθε μεγάλος γαλαξίας στο σύμπαν διαθέτει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στον πυρήνα του και οποιοσδήποτε απ’ αυτούς μπορεί ενδεχομένως να είναι ενεργός. Όμως, αν και είναι πανταχού παρόντες, ίσως να είναι δύσκολο να παρατηρηθούν. Η τωρινή επιτυχής ανίχνευση των νετρίνων από έναν τέτοιον γαλαξία, ανοίγει ένα νέο παράθυρο για την μελέτη των τεράστιων μαύρων τρυπών που διαθέτουν στο κέντρο τους παρόμοιοι γαλαξίες. Κι αυτό σηματοδοτεί μια νέα εποχή για την αστρονομία νετρίνων.
πηγή: https://www.scientificamerican.com/article/neutrinos-from-a-nearby-galaxy-reveal-black-hole-secrets/
Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε