Η ανίχνευση σωματιδίου φάντασμα οδηγεί σε σημαντική ανακάλυψη στην αστρονομία και τη φυσική

Τα τελευταία χρόνια, οι αστρονόμοι μελετούν εντατικά τα βαρυτικά κύματα. Τα βαρυτικά κύματα έδωσαν στους αστρονόμους ένα νέο μοντέλο για να δουν το σύμπαν, ωστόσο μια νέα ανακάλυψη που έγινε στην Ανταρκτική μπορεί να κάνει το νετρίνο τον νέο τρόπο ερμηνείας του σύμπαντος.

Ανίχνευση Νετρίνου

Μια ομάδα αστρονόμων από όλο τον κόσμο εντόπισε μια πηγή νετρίνων που προέρχονται από σημεία μακριά στο σύμπαν. Τα νετρίνα είναι ήδη δύσκολο να εντοπιστούν, αλλά το νετρίνο που βρέθηκε πρόσφατα προέρχεται από ένα σημείο στο σύμπαν όπου δεν έχουν εντοπιστεί ποτέ νετρίνα, περίπου 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη.

Δύο άρθρα που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science περιγράφουν λεπτομερώς πώς η διεθνής ομάδα αστρονόμων εντόπισε μια πηγή νετρίνων που προέρχεται από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια μακριά από τον πλανήτη, σε ένα blazar που ονομάζεται TXS 0506+056. Ένα blazar είναι ένας εξαιρετικά ενεργός γαλαξιακός πυρήνας που έχει ένα σχετικιστικό πίδακα (ένας πίδακας που κινείται με ταχύτητα σχεδόν φωτός) που κατευθύνεται σχεδόν απευθείας προς τη Γη. Το TXS 0506+056 έχει μια τεράστια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα στο κέντρο, η οποία αναγκάζει τον γαλαξιακό πυρήνα να εκτοξεύει διπλούς πίδακες σωματιδίων.

Το παρατηρητήριο IceCube, που βρίσκεται στο Νότιο Πόλο, εντόπισε ένα εισερχόμενο νετρίνο υψηλής ενέργειας τον Σεπτέμβριο του περασμένου έτους. Το αστεροσκοπείο διαθέτει ένα εξελιγμένο σύστημα ειδοποίησης σε πραγματικό χρόνο που ειδοποιεί τους αστρονόμους που βρίσκονται σε όλο τον κόσμο για τις συντεταγμένες της ανίχνευσης μόνο 43 δευτερόλεπτα μετά την ανίχνευση του νετρίνου.

Ως απόκριση στον συναγερμό, 20 διαφορετικά παρατηρητήρια πληκτρολόγησαν τις συντεταγμένες και προσπάθησαν να εντοπίσουν την προέλευση του νετρίνου. Οι αστρονόμοι βρήκαν το blazar, το οποίο εκτόξευε ακτίνες γάμμα και νετρίνα προς την κατεύθυνση της Γης. Όταν αναλύθηκαν τα αρχεία των δεδομένων του IceCube, οι ερευνητές μπόρεσαν να βρουν περισσότερα από δώδεκα διαφορετικά γεγονότα που σχετίζονται με το αντικείμενο κατά τη διάρκεια του 2014 και του 2015. Αυτό βοήθησε τους ερευνητές να προσδιορίσουν ότι το μεμονωμένο νετρίνο υψηλής ενέργειας που εντοπίστηκε πέρυσι ήταν πράγματι το blazar, το οποίο έχει μια σειρά από σημαντικές επιπτώσεις για την αστρονομία, σύμφωνα με τον Marcos Santander, έναν αστροφυσικό από το Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα. Ο Santander εξηγεί τη σημασία της ανακάλυψης:

Τα σωματίδια φάντασμα

Όχι μόνο το ανιχνευμένο νετρίνο ήταν το πιο απομακρυσμένο νετρίνο που έχει ανιχνευθεί ποτέ μέχρι τώρα, αλλά παρέχει επίσης στους αστρονόμους πολλές πληροφορίες σχετικά με τις κοσμικές ακτίνες. Οι αστρονόμοι γνώριζαν από καιρό ότι οι κοσμικές ακτίνες βομβαρδίζουν τη Γη από το διάστημα, αλλά εδώ και πολύ καιρό ήταν ένα μυστήριο ως προς την προέλευσή τους. Η τροχιά των κοσμικών ακτίνων μεταβάλλεται αρκετά λόγω της φύσης τους ως φορτισμένα σωματίδια, γεγονός που καθιστά δύσκολο να διακρίνει κανείς το σημείο προέλευσής τους. Ωστόσο, τα νετρίνα λειτουργούν ως «σωματίδια-φαντάσματα», τα οποία αντιδρούν με την ύλη σπάνια λόγω του γεγονότος ότι δεν έχουν σχεδόν καθόλου μάζα. Αυτό σημαίνει ότι είναι πολύ πιθανό τα νετρίνα των σωματιδίων φάντασμα να ταξίδεψαν, λίγο πολύ, σε μια ευθεία γραμμή προς τη Γη από το TXS 0506+056, επιτρέποντας τον προσδιορισμό της προέλευσής τους.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το IceCube δεν ανιχνεύει άμεσα τα νετρίνα, αλλά εντοπίζει τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις που έχουν τα νετρίνα με άλλα μόρια. Κάθε τόσο, ένα νετρίνο θα χτυπήσει ένα μεγαλύτερο σωματίδιο και θα το κάνει να ανεβαίνει σε ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός. Όταν ξεπεραστεί η ταχύτητα του φωτός, τα σωματίδια της ύλης που σπάνε το όριο ταχύτητας φωτός απορρίπτουν πολλά φωτόνια σε απόκριση, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να ανιχνευθούν με ανιχνευτές φωτονίων. Οι επιστήμονες μπορούν στη συνέχεια να αναδημιουργήσουν το μονοπάτι του νετρίνου.

Πόσο σίγουροι μπορούν να είναι οι επιστήμονες ότι το blazar είναι πράγματι η πηγή του νετρίνου που εντοπίστηκε; Η πρώτη μελέτη διαπίστωσε ότι υπήρχε περίπου 1 στις 1000 πιθανότητες το blazar να μην είναι η πηγή του νετρίνου, το οποίο είναι «το ελάχιστο που απαιτείται για να ισχυριστείς ότι έχεις εντοπίσει κάτι», σύμφωνα με την αστροφυσική Erin Bonning από το Πανεπιστήμιο Emory ( δεν συμμετέχουν στη μελέτη). Ωστόσο, η πρώτη μελέτη υποστηρίζεται από τη δεύτερη μελέτη που συνέκρινε προηγούμενες παρατηρήσεις του TXS 0506+056 blazar με νετρίνα χαμηλότερης ενέργειας που ανιχνεύθηκαν από το IceCube και αυτή η δεύτερη μελέτη διαπίστωσε ότι υπήρχε καλύτερη από 1 στις 1000 πιθανότητες.

Τι σημαίνει η ανακάλυψη;

Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας είναι ικανά να αποκαλύψουν πολλά από τα μυστήρια πίσω από αντικείμενα όπως τα blazars. Ο Azadeh Keivani από το Penn State University εξήγησε ότι μόλις αρχίζουμε να κατανοούμε τους φυσικούς μηχανισμούς που ευθύνονται για την επιτάχυνση των νετρίνων σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας, αλλά ότι η ανακάλυψη των υψηλής ενέργειας νετρίνων από πηγές όπως τα blazars μπορεί «να μας πει για την προέλευση του κοσμικές ακτίνες που τις παράγουν σε αλληλεπιδράσεις σωματιδίων στην πηγή.»

Από την εποχή που ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά τα βαρυτικά κύματα, έχουν χρησιμοποιηθεί για την ερμηνεία και την εξήγηση περίεργων φαινομένων όπως τα αστέρια νετρονίων και η συγχώνευση μαύρων τρυπών, τα οποία δεν μπορούν να φανούν με τα παραδοσιακά τηλεσκόπια. Ομοίως, τα νετρίνα υψηλής ενέργειας θα μπορούσαν να ξεκολλήσουν την αυλαία των μυστηρίων όπως ο σχηματισμός και η εξέλιξη των γαλαξιών ή τι συμβαίνει μέσα σε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Τα Blazars είναι η πιο κυρίαρχη μορφή σε περιοχές υψηλής ενέργειας του ουρανού και έχουν προταθεί εδώ και καιρό ως πηγές νετρίνων. Η επόμενη κίνηση για τους ερευνητές θα είναι να εξετάσουν το TXS 0506+056 και να καθορίσουν ποιες συνθήκες το καθιστούν αυτό και άλλα blazar πηγές νετρίνων. Η διάκριση των ιδιοτήτων που ευθύνονται για τη δημιουργία νετρίνων μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να βρουν περισσότερα blazars όπως το 0506+056 ανάμεσα στα χιλιάδες blazars που είναι επί του παρόντος γνωστά ότι εκπέμπουν ακτίνες γάμμα.

Οι ερευνητές σχεδιάζουν ήδη να κάνουν αναβαθμίσεις στους αισθητήρες και τον εξοπλισμό ανίχνευσης του IceCube που θα του επιτρέψουν να εντοπίσει, ελπίζουμε, περισσότερες πηγές νετρίνων. Οι αναβαθμίσεις θα αυξήσουν τον όγκο του IceCube κατά περίπου 10 φορές τον τρέχοντα όγκο του. Υπάρχουν επίσης και άλλα παρατηρητήρια ακτίνων γάμμα υπό κατασκευή, όπως η Συστοιχία Τηλεσκοπίων Cherenkov, και ελπίζεται ότι ο συνδυασμός των δύο συστημάτων θα επιτρέψει την ταχύτερη ανίχνευση περισσότερων πηγών νετρίνων.

Η ανακάλυψη ενός αξιόπιστου εκπομπού νετρίνων μπορεί να εγκαινιάσει μια νέα εποχή της αστρονομίας, όπου μπορούν να μελετηθούν όχι μόνο τα αντικείμενα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, αλλά και άλλα σωματίδια.