För bara andra gången, astronomer har kopplat en svårfångad partikel som kallas en högenergineutrino till ett objekt utanför vår galax. Använda mark- och rymdbaserade anläggningar, inklusive NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory, de spårade neutrinon till ett svart hål som sliter isär en stjärna, en sällsynt kataklysmisk händelse som kallas tidvattenavbrott.

"Astrofysiker har länge teoretiserat att tidvattenavbrott kan producera högenergi neutrinos, men det här är första gången vi faktiskt har kunnat koppla dem med observationsbevis, sa Robert Stein, en doktorand vid det tyska forskningscentret Electron-Synchrotron (DESY) i Zeuthen, Tyskland, och Humboldt-universitetet i Berlin. "Men det verkar som den här speciella händelsen, kallas AT2019dsg, genererade inte neutrinon när eller hur vi förväntade oss. Det hjälper oss att bättre förstå hur dessa fenomen fungerar."

Resultaten, ledd av Stein, publicerades i numret 22 februari av Natur astronomi och är tillgängliga online.Neutrinos är fundamentala partiklar som vida överträffar alla atomer i universum men som sällan interagerar med annan materia. Astrofysiker är särskilt intresserade av högenergi neutrinos, som har energier upp till 1, 000 gånger större än de som produceras av de mest kraftfulla partikelkolliderarna på jorden. De tror att de mest extrema händelserna i universum, som våldsamma galaktiska utbrott, accelerera partiklar till nästan ljusets hastighet. Dessa partiklar kolliderar sedan med ljus eller andra partiklar för att generera högenergineutriner. Den första bekräftade högenergikällan för neutrino, tillkännagav 2018, var en typ av aktiv galax som kallas blazar.

Tidvattenstörningar inträffar när en olycklig stjärna går för nära ett svart hål. Gravitationskrafter skapar intensiva tidvatten som bryter isär stjärnan till en gasström. Den bakre delen av bäcken flyr ut systemet, medan den främre delen svänger tillbaka runt, som omger det svarta hålet med en skiva av skräp. I vissa fall, det svarta hålet skjuter upp snabbrörliga partikelstrålar. Forskare antog att tidvattenavbrott skulle producera högenergineutriner i sådana partikelstrålar. De förväntade sig också att händelserna skulle producera neutriner tidigt i deras utveckling, vid högsta ljusstyrka, oavsett partiklarnas produktionsprocess.

AT2019dsg upptäcktes den 9 april, 2019, av Zwicky Transient Facility (ZTF), en robotkamera vid Caltechs Palomar Observatory i södra Kalifornien. Händelsen inträffade över 690 miljoner ljusår bort i en galax som heter 2MASX J20570298+1412165, belägen i stjärnbilden Delphinus.

Som en del av en rutinmässig uppföljningsundersökning av tidvattenstörningar, Stein och hans team begärde synlig, ultraviolett, och röntgenobservationer med Swift. De tog också röntgenmätningar med hjälp av Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton-satellit och radiomätningar med faciliteter inklusive National Radio Astronomy Observatorys Karl G. Jansky Very Large Array i Socorro, New Mexico, och South African Radio Astronomy Observatorys MeerKAT-teleskop.

Toppljusstyrkan kom och gick i maj. Ingen klar jet syntes. Enligt teoretiska förutsägelser, AT2019dsg såg ut som en dålig neutrinokandidat.

Sedan, den 1 oktober, 2019, National Science Foundations IceCube Neutrino Observatory vid Amundsen-Scott South Pole Station i Antarktis upptäckte en högenergineutrino som heter IC191001A och backade längs dess bana till en plats på himlen. Ungefär sju timmar senare, ZTF noterade att samma fläck av himlen inkluderade AT2019dsg. Stein och hans team tror att det bara finns en chans på 500 att tidvattenavbrottet inte är neutrinons källa. Eftersom upptäckten kom ungefär fem månader efter att händelsen nådde maximal ljusstyrka, det väcker frågor om när och hur dessa händelser producerar neutriner.

"Tidvattenstörningar är otroligt sällsynta fenomen, inträffar endast en gång var tionde, 000 till 100, 000 år i en stor galax som vår egen. Astronomer har bara observerat några dussin vid denna tidpunkt, " sa Swifts huvudutredare S. Bradley Cenko vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Mångvåglängdsmätningar av varje händelse hjälper oss att lära oss mer om dem som en klass, så AT2019dsg var av stort intresse även utan en initial neutrino-detektering."

Till exempel, tidvattenavbrott genererar synligt och UV-ljus i de yttre områdena av deras heta ansamlingsskivor. I AT2019dsg, dessa våglängder platåer strax efter att de nått sin topp. Det var ovanligt eftersom sådana platåer vanligtvis dyker upp först efter några år. Forskarna misstänker galaxens monstersvarta hål, med en massa som uppskattas till 30 miljoner gånger solens, kunde ha tvingat stjärnskräpet att lägga sig i en skiva snabbare än det kan ha gjort runt ett mindre massivt svart hål.

AT2019dsg är en av endast en handfull kända röntgenstrålningsstörningar. Forskare tror att röntgenstrålar kommer från antingen den inre delen av ackretionsskivan, nära det svarta hålet, eller från höghastighetspartikelstrålar. Utbrotts röntgenstrålar bleknade med oöverträffade 98 % under 160 dagar. Steins team ser inga tydliga bevis som indikerar närvaron av jetstrålar och föreslår istället att snabb nedkylning i skivan troligen förklarar den branta minskningen av röntgenstrålar.

Alla håller inte med om denna analys. En annan förklaring, författad av DESYs Walter Winter och Cecilia Lunardini, professor vid Arizona State University i Tempe, föreslår att utsläppet kom från ett jetplan som snabbt skymds av ett moln av skräp. Forskarna publicerade sin alternativa tolkning i samma nummer av Natur astronomi .

Astronomer tror att radioemission i dessa fenomen kommer från det svarta hålets accelererande partiklar, antingen i jetstrålar eller mer måttliga utflöden. Steins team tycker att AT2019dsg faller i den senare kategorin. Forskarna upptäckte också att radioutstrålningen fortsatte stadigt i månader och inte bleknade tillsammans med det synliga ljuset och UV-ljuset, som tidigare antagits.

Neutrino-detektering, kombinerat med multivåglängdsmätningar, fick Stein och hans kollegor att ompröva hur tidvattenavbrott kan producera högenergineutriner.

Radioemissionen visar att partikelacceleration sker även utan klar, kraftfulla jetstrålar och kan fungera bra efter topp UV och synlig ljusstyrka. Stein och hans kollegor föreslår att dessa accelererade partiklar kan producera neutriner i tre distinkta regioner av tidvattenavbrottet:i den yttre skivan genom kollisioner med UV-ljus, i den inre skivan genom kollisioner med röntgenstrålar, och i det måttliga utflödet av partiklar genom kollisioner med andra partiklar.

Steins team antyder att AT2019dsgs neutrino troligen härstammar från den UV-ljusa yttre delen av skivan, baserat på det faktum att partikelns energi var mer än 10 gånger större än vad som kan uppnås av partikelkolliderare.

"Vi förutspådde att neutriner och tidvattenavbrott kunde vara relaterade, och att se det för första gången i data är bara väldigt spännande, " sa medförfattaren Sjoert van Velzen, en biträdande professor vid Leiden University i Nederländerna. "Detta är ytterligare ett exempel på kraften i multibudbärarastronomi, med en kombination av ljus, partiklar, och rum-tid krusningar för att lära dig mer om kosmos. När jag var doktorand, det förutspåddes ofta att denna nya era av astronomi skulle komma, men att nu faktiskt vara en del av det är väldigt givande."