Αστροφυσικοί αποδεικνύουν για πρώτη φορά ότι τα νετρίνα που φτάνουν στον πλανήτη μας από τα βάθη του Σύμπαντος προέρχονται από blazars.
Η ατμόσφαιρα της Γης βομβαρδίζεται διαρκώς από κοσμικές ακτίνες. Αυτές αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια με ένεργεια που φτάνει έως 10 20 ev (ηλεκτρονιοβολτ), δηλαδή ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider – LHC) στη Γενεύη.
Αυτά τα ιδιαιτέρως ενεργητικά σωματίδια προέρχονται από το βαθύ διάστημα και έχουν ταξιδέψει δισεκατομμύρια έτη φωτός για να φτάσουν σε εμάς. Από πού προέρχονται, τι τα εκτοξεύει μέσα στο Σύμπαν με τέτοια τεράστια δύναμη; Αυτά τα ερωτήματα αποτελούν κάποιες από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της αστροφυσικής εδώ και έναν αιώνα.
Οι γεννήτορες των κοσμικών ακτίνων παράγουν νετρίνα. Τα νετρίνα είναι ουδέτερα σωματίδια που είναι δύσκολο να ανιχνευτούν. Δεν διαθέτουν σχεδόν καθόλου μάζα και αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη. Τρέχουν μέσα στο Σύμπαν και μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από γαλαξίες, πλανήτες και το ανθρώπινο σώμα σχεδόν χωρίς κανένα ίχνος.
«Τα αστροφυσικά νετρίνα παράγονται αποκλειστικά από διαδικασίες που περιλαμβάνουν επιτάχυνση κοσμικών ακτίνων», εξηγεί η Sara Buson, καθηγήτρια αστροφυσικής στο Julius-Maximilians-Universität (JMU) στο Würzburg της Βαυαρίας. Αυτό ακριβώς είναι που τα καθιστά μοναδικούς αγγελιοφόρους, οι οποίοι ανοίγουν το δρόμο για τον εντοπισμό των πηγών της κοσμικής ακτινοβολίας.
Το άρθρο στο περιοδικό Science πυροδότησε αντιπαραθέσεις
Παρά τον τεράστιο όγκο δεδομένων που έχουν συλλέξει οι αστροφυσικοί, η συσχέτιση των νετρίνων υψηλής ενέργειας με τις αστροφυσικές πηγές από τις οποίες προέρχονται παρέμενε ένα άλυτο πρόβλημα για χρόνια. Η Sara Buson το θεωρούσε πάντα μια μεγάλη πρόκληση.
Ήταν το 2017, που η ερευνήτρια και οι συνεργάτες της έφεραν στη συζήτηση για πρώτη φορά ένα blazar (TXS 0506+056) ως πιθανή πηγή νετρίνων, με μία δημοσίευση στο περιοδικό Science. Τα Blazars είναι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες (Active Galactic Nuclei – AGN) που τροφοδοτούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες και εκπέμπουν περισσότερη -κατά πολύ- ακτινοβολία από ολόκληρο τον γαλαξία τους. Η δημοσίευση πυροδότησε μια αντιπαράθεση μεταξύ των επιστημόνων σχετικά με το εάν υπάρχει πράγματι σύνδεση μεταξύ των blazars και των νετρίνων υψηλής ενέργειας.
Επιτυχία με τις αναλύσεις πολλαπλών “αγγελιοφόρων”
Μετά από αυτό το πρώτο ενθαρρυντικό βήμα, η ομάδα της καθηγητήτριας Buson ξεκίνησε τον Ιούνιο του 2021 ένα φιλόδοξο ερευνητικό πρόγραμμα πολλαπλών “αγγελιοφόρων” με την υποστήριξη του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας. Το πρόγραμμα περιλαμβάνει την ανάλυση διαφόρων σημάτων (“αγγελιοφόρων”, π.χ. νετρίνων) από το Σύμπαν. Ο κύριος στόχος του είναι να ρίξει φως στην προέλευση των αστροφυσικών νετρίνων, με πιθανό αποτέλεσμα να καθιερώσει τα blazars, με αρκετή βεβαιότητα, ως τις κύριες πηγές των εξωγαλαξιακών νετρίνων υψηλής ενέργειας.
Το εγχείρημα έχει, τώρα, να παρουσιάσει την πρώτη του επιτυχία: Η Sara Buson, μαζί με την ομάδα της (τον πρώην μεταδιδακτορικό ερευνητή Raniere de Menezes και τον Andrea Tramacere από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης) αναφέρουν στο περιοδικό “Astrophysical Journal Letters” ότι τα blazars μπορούν να συσχετιστούν -με βεβαιότητα σε πρωτοφανή βαθμό- με τα αστροφυσικά νετρίνα.
Ο Andrea Tramacere από το University of Geneva λέει «Η διαδικασία συσσώρευσης και η περιστροφή της μαύρης τρύπας οδηγούν στο σχηματισμό σχετικιστικών πιδάκων, όπου τα σωματίδια επιταχύνονται και εκπέμπουν ακτινοβολία με ενέργεια έως και χίλια δισεκατομμύρια φορές αυτής του ορατού φωτός! Η ανακάλυψη της σύνδεσης μεταξύ αυτών των αντικειμένων και των κοσμικών ακτίνων μπορεί να αποτελεί την «Στήλη της Ροζέττας» για την αστροφυσική υψηλών ενεργειών!»
Τα blazars PeVatron αναγνωρίστηκαν ως εξωγαλαξιακά εργοστάσια νετρίνων
«Χρησιμοποιήσαμε δεδομένα για νετρίνα από το Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube (IceCube Neutrino Observatory) στην Ανταρκτική -τον πιο ευαίσθητο ανιχνευτή νετρίνων που λειτουργεί αυτή τη στιγμή- και έναν κατάλογο αστροφυσικών αντικειμένων που αναγνωρίζονται με βεβαιότητα ως blazars», λέει η καθηγητήτρια του JMU.
«Πραγματοποιήσαμε μια ανάλυση διασυσχέτισης (cross-correlation) μεταξύ των δεδομένων του IceCube και των blazars και βρήκαμε ισχυρές ενδείξεις πως τα παρατηρούμενα νετρίνα υψηλής ενέργειας προέρχονται από ένα υποσύνολο των blazar. Η πιθανότητα αυτό να είναι σύμπτωση είναι πολύ χαμηλή, έως και 6 × 10 -7 , δηλαδή λιγότερο από ένα στο εκατομμύριο. Τα αποτελέσματα παρέχουν, για πρώτη φορά, αδιαμφισβήτητες παρατηρησιακές αποδείξεις ότι αυτό το μέρος των δειγμάτων που μελετήσαμε, δηλαδή οι νεοανακαλυφθέντες blazars PeVatron αποτελούν εξωγαλαξιακές πηγές νετρίνων και, επομένως, επιταχυντές κοσμικών ακτίνων.” (PeVatron = επιταχυντές σωματιδίων με ενέργειες της τάξης των Pev)
Σύμφωνα με τη Sara Buson, η ανακάλυψη αυτών των εργοστασίων νετρίνων υψηλής ενέργειας αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ορόσημο για την αστροφυσική: «Μας τοποθετεί ένα βήμα προς τα εμπρός στην επίλυση του εκατονταετούς μυστηρίου της προέλευσης των κοσμικών ακτίνων.»
Μόνο η κορυφή του παγόβουνου
Παρά την επιτυχία αυτή, η ερευνητήτρια του JMU γνωρίζει ότι υπάρχει ακόμη πολλή συναρπαστική δουλειά που πρέπει να γίνει. Παραθέτει τα λόγια του Blaise Pascal, επιστήμονα του 17ου αιώνα: «Η γνώση είναι σαν μια σφαίρα: όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος της, τόσο μεγαλύτερη είναι η επαφή της με το άγνωστο» .
Το ίδιο ισχύει και για την έρευνα της Buson: «Αυτό που παρατηρούμε δεν είναι παρά η “κορυφή του παγόβουνου”, δηλαδή πιθανώς οι φωτεινότεροι πιο αποτελεσματικοί εκπομποί νετρίνων». Στην πραγματικότητα -λέει- η στατιστική μας ανάλυση έχει επικεντρωθεί μόνο στα πιο πολλά υποσχόμενα σύνολα δεδομένων νετρίνων του παρατηρητηρίου IceCube. Η Buson αναμένει ότι πιο εξελιγμένες τεχνικές ανάλυσης μπορεί να φέρουν περισσότερες ανακαλύψεις.
Η ομάδα δηλώνει «Αυτό που πρέπει να κάνουμε τώρα είναι να κατανοήσουμε την κύρια διαφορά μεταξύ των αντικειμένων που εκπέμπουν νετρίνα και εκείνων που δεν εκπέμπουν. Αυτό θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τον βαθμό στον οποίο το περιβάλλον και ο επιταχυντής «μιλούν» μεταξύ τους. Τότε θα είμαστε σε θέση να αποκλείσουμε ορισμένα μοντέλα, να βελτιώσουμε την προγνωστική δύναμη άλλων και, τέλος, να προσθέσουμε περισσότερα κομμάτια στο αιώνιο παζλ της επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων!»
Τα blazars PeVatron αποτελούν μία νέα πρόκληση για την αστροφυσική πολλαπλών “αγγελιοφόρων”. «Τι είναι αυτό που καθιστά αυτή την ομάδα των blazars τόσο ξεχωριστή μεταξύ των χιλιάδων συγκρίσιμων αντικειμένων στο Σύμπαν μας; Αυτή η ερώτηση -μεταξύ άλλων- θα κρατήσει την, πολλαπλών “αγγελιοφόρων”, κοινότητά μας απασχολημένη για τις επόμενες δεκαετίες».
Παραπομπές: "Beginning a journey across the Universe: the discovery of extragalactic neutrino factories", Astrophysical Journal Letters, 14. July 2022
Πηγές: https://www.uni-wuerzburg.de/ https://www.sciandnature.com/
