Ursprunget till kosmiska neutrinos med hög energi som observerats av IceCube Neutrino Observatory, vars detektor är begravd djupt i Antarktis is, är en gåta som har förbryllat fysiker och astronomer. En ny modell kan hjälpa till att förklara det oväntat stora flödet av några av dessa neutriner som härleds av nya neutrino- och gammastrålningsdata. En artikel av forskare från Penn State som beskriver modellen, som pekar på de supermassiva svarta hålen som finns i kärnorna av aktiva galaxer som källorna till dessa mystiska neutriner, visas 30 juni, 2020 i tidningen Fysiska granskningsbrev .

"Neutrinos är subatomära partiklar så små att deras massa är nästan noll och de interagerar sällan med annan materia, sade Kohta Murase, biträdande professor i fysik och i astronomi och astrofysik vid Penn State och medlem av Center for Multimessenger Astrophysics vid Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), som ledde forskningen. "Kosmiska neutrinos med hög energi skapas av energiska kosmiska strålacceleratorer i universum, som kan vara extrema astrofysiska objekt som svarta hål och neutronstjärnor. De måste åtföljas av gammastrålar eller elektromagnetiska vågor vid lägre energier, och ibland gravitationsvågor. Så, vi förväntar oss att nivåerna av dessa olika 'kosmiska budbärare' som vi observerar är relaterade. Intressant, IceCube-data har indikerat ett överskott av neutrinos med energier under 100 teraelektronvolt (TeV), jämfört med nivån av motsvarande högenergi-gammastrålar som ses av Fermi Gamma-ray Space Telescope."

Forskare kombinerar information från alla dessa kosmiska budbärare för att lära sig om händelser i universum och för att rekonstruera dess utveckling inom det växande fältet "multimessenger-astrofysik". För extrema kosmiska händelser, som massiva stjärnexplosioner och jetstrålar från supermassiva svarta hål, som skapar neutriner, detta tillvägagångssätt har hjälpt astronomer att lokalisera de avlägsna källorna och varje ytterligare budbärare ger ytterligare ledtrådar om detaljerna i fenomenet.

För kosmiska neutriner över 100 TeV, Tidigare forskning från Penn State-gruppen visade att det är möjligt att ha överensstämmelse med högenergiska gammastrålar och ultrahögenergi kosmiska strålar som passar med en multibudbärarbild. Dock, det finns växande bevis för ett överskott av neutriner under 100 TeV, som inte enkelt kan förklaras. Väldigt nyligen, IceCube Neutrino Observatory rapporterade ett annat överskott av högenergineutriner i riktning mot en av de ljusaste aktiva galaxerna, känd som NGC 1068, på den norra himlen.

"Vi vet att källorna till högenergineutriner också måste skapa gammastrålar, så frågan är:Var finns dessa saknade gammastrålar?" sa Murase. "Källorna är på något sätt dolda från vår syn i högenergiska gammastrålar, och energibudgeten för neutriner som släpps ut i universum är förvånansvärt stor. De bästa kandidaterna för denna typ av källa har täta miljöer, där gammastrålar skulle blockeras av deras interaktioner med strålning och materia men neutriner kan lätt fly. Vår nya modell visar att supermassiva svarta hålssystem är lovande platser och modellen kan förklara neutrinerna under 100 TeV med blygsamma energikrav."

Den nya modellen antyder att koronan – auran av superhet plasma som omger stjärnor och andra himlakroppar – runt supermassiva svarta hål som finns i galaxernas kärna, kan vara en sådan källa. Analogt med koronan som ses på en bild av solen under en solförmörkelse, astrofysiker tror att svarta hål har en korona ovanför den roterande skivan av material, känd som en accretion disk, som bildas runt det svarta hålet genom dess gravitationspåverkan. Denna korona är extremt varm (med en temperatur på cirka en miljard grader kelvin), magnetiserad, och turbulent. I denna miljö, partiklar kan accelereras, vilket leder till partikelkollisioner som skulle skapa neutriner och gammastrålar, men miljön är tillräckligt tät för att förhindra utsläpp av högenergiska gammastrålar.

"Modellen förutsäger också elektromagnetiska motsvarigheter till neutrinokällorna i "mjuka" gammastrålar istället för högenergiska gammastrålar, ", sade Murase. "Högenergiska gammastrålar skulle blockeras men detta är inte slutet på historien. De skulle så småningom kaskaderas ner till lägre energier och släppas ut som "mjuka" gammastrålar i megaelektronvoltsområdet, men de flesta av de befintliga gammastrålningsdetektorerna, som Fermi Gamma-ray Space Telescope, är inte inställda för att upptäcka dem."

Det finns projekt under utveckling som är utformade specifikt för att utforska sådan mjuk gammastrålning från rymden. Vidare, kommande och nästa generations neutrinodetektorer, KM3Net i Medelhavet och IceCube-Gen2 i Antarktis kommer att vara mer känsliga för källorna. De lovande målen inkluderar NGC 1068 på den norra himlen, för vilket överskottet av neutrinoemission rapporterades, och flera av de ljusaste aktiva galaxerna på den södra himlen.

"Dessa nya gammastrålnings- och neutrinodetektorer kommer att möjliggöra djupare sökningar efter multibudbäraremission från supermassiva svarta håls coronae, ", sade Murase. "Detta kommer att göra det möjligt att kritiskt undersöka om dessa källor är ansvariga för det stora flödet av neutriner på medelenerginivån som observerats av IceCube som vår modell förutsäger."