• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Spökpartikel från strimlad stjärna avslöjar kosmisk partikelaccelerator

    Rökande pistol:Efter att det supermassiva svarta hålet slet isär stjärnan, ungefär hälften av stjärnskräpet slängdes tillbaka ut i rymden, medan resten bildade en glödande ansamlingsskiva runt det svarta hålet. Systemet lyste starkt över många våglängder och tros ha producerat energi, jetliknande utflöden vinkelrätt mot accretionskivan. En central, kraftfull motor nära accretionsskivan spydde ut dessa snabba subatomära partiklar. Kredit:DESY, Science Communication Lab

    Att spåra en spöklik partikel till en strimlad stjärna, forskare har upptäckt en gigantisk kosmisk partikelaccelerator. Den subatomära partikeln, kallas en neutrino, kastades mot jorden efter att den dömda stjärnan kom för nära det supermassiva svarta hålet i mitten av sin hemgalax och slets isär av det svarta hålets kolossala gravitation. Det är den första partikeln som kan spåras tillbaka till en sådan "tidvattenstörningshändelse" (TDE) och ger bevis på att dessa lite förstådda kosmiska katastrofer kan vara kraftfulla naturliga partikelacceleratorer, som teamet ledd av DESY-forskaren Robert Stein rapporterar i tidskriften Natur astronomi. Observationerna visar också kraften i att utforska kosmos via en kombination av olika "budbärare" som fotoner (ljuspartiklar) och neutriner, även känd som multi-budbärare astronomi.

    Neutrinon började sin resa för cirka 700 miljoner år sedan, ungefär när de första djuren utvecklades på jorden. Det är den restid som partikeln behövde för att ta sig från fjärran, icke namngiven galax (katalogiserad som 2MASX J20570298+1412165) i stjärnbilden Delphinus (Delfinen) till jorden. Forskare uppskattar att det enorma svarta hålet är så massivt som 30 miljoner solar. "Tyngdkraften blir starkare och starkare, ju närmare du kommer något. Det betyder att det svarta hålets gravitation drar stjärnans närmaste sida starkare än stjärnans bortre sida, leder till en sträckande effekt, " förklarar Stein. "Denna skillnad kallas en tidvattenkraft, och när stjärnan kommer närmare, denna stretching blir mer extrem. Så småningom sliter det sönder stjärnan, och då kallar vi det en tidvattenstörning. Det är samma process som leder till havsvatten på jorden, men lyckligtvis för oss drar månen inte tillräckligt hårt för att krossa jorden."

    Ungefär hälften av stjärnans skräp slängdes ut i rymden, medan den andra halvan satte sig på en virvlande skiva runt det svarta hålet. Denna ansamlingsskiva påminner något om virveln av vatten ovanför avloppet i ett badkar. Innan du kastar dig i glömska, materian från accretionskivan blir varmare och varmare och lyser starkt. Denna glöd upptäcktes först av Zwicky Transient Facility (ZTF) på Mount Palomar i Kalifornien den 9 april 2019.

    Ett halvår senare, den 1 oktober 2019 registrerade IceCube-neutrinodetektorn på Sydpolen en extremt energisk neutrino från tidvattenstörningens riktning. "Den slog in i Antarktis is med en anmärkningsvärd energi på mer än 100 teraelektronvolt, " säger medförfattaren Anna Franckowiak från DESY, som nu är professor vid universitetet i Bochum. "För jämförelse, det är minst tio gånger den maximala partikelenergi som kan uppnås i världens mest kraftfulla partikelaccelerator, Large Hadron Collider vid det europeiska partikelfysiklabbet CERN nära Genève."

    När stjärnan närmar sig det svarta hålet, de enorma tidvattenkrafterna sträcker den mer och mer tills den slutligen strimlas. Hälften av stjärnskräpet slungas tillbaka ut i rymden, medan den återstående delen bildar en roterande ansamlingsskiva från vilken två kraftiga utflöden av materia skjuter upp och ner. Systemet fungerar som en kraftfull naturlig partikelaccelerator. Kredit:DESY, Science Communication Lab

    Extremt lätt

    De extremt lätta neutrinerna interagerar knappt med någonting, kan passera obemärkt genom inte bara väggar utan hela planeter eller stjärnor, och kallas därför ofta spökpartiklar. Så, även att fånga bara en högenergi neutrino är redan en anmärkningsvärd observation. Analyser visade att just denna neutrino hade bara en chans på 500 att vara en ren tillfällighet med TDE. Detekteringen föranledde ytterligare observationer av händelsen med många instrument över det elektromagnetiska spektrumet, från radiovågor till röntgenstrålar.

    "Detta är den första neutrinon kopplad till en tidvattenavbrottshändelse, och det ger oss värdefulla bevis, " förklarar Stein. "Händelser med tidvattenstörningar är inte väl förstådda. Detekteringen av neutrinon pekar på existensen av en central, kraftfull motor nära accretionsskivan, spyr ut snabba partiklar. Och den kombinerade analysen av data från radio, optiska och ultravioletta teleskop ger oss ytterligare bevis på att TDE fungerar som en gigantisk partikelaccelerator."

    Heart of darkness:En vy av ackretionsskivan runt det supermassiva svarta hålet, med jetliknande strukturer som flyter bort från skivan. Det svarta hålets extrema massa böjer rumtiden, så att den bortre sidan av accretionskivan kan ses som en bild ovanför och under det svarta hålet. Kredit:DESY, Science Communication Lab

    Observationerna förklaras bäst av ett energiskt utflöde av snabba materiajetstrålar som skjuter ut ur systemet, som produceras av den centrala motorn och som håller i hundratals dagar. Detta är också vad som behövs för att förklara observationsdata, som Walter Winter, chef för den teoretiska astropartikelfysikgruppen vid DESY, och hans kollega teoretiker Cecilia Lunardini från Arizona State University, har visat i en teoretisk modell publicerad i samma nummer av Natur astronomi. "Neutrinon dök upp relativt sent, ett halvår efter att stjärnfesten hade börjat. Vår modell förklarar denna timing naturligt, säger Winter.

    Den kosmiska acceleratorn spyr ut olika typer av partiklar, men förutom neutriner och fotoner, dessa partiklar är elektriskt laddade och avböjs därmed av intergalaktiska magnetfält på sin resa. Endast de elektriskt neutrala neutrinerna kan färdas på en rak linje som ljus från källan mot jorden och på så sätt bli värdefulla budbärare från sådana system.

    "De kombinerade observationerna visar kraften i multibudbärarastronomi, " säger medförfattaren Marek Kowalski, chef för neutrino-astronomi vid DESY och professor vid Humboldt-universitetet i Berlin. "Utan upptäckten av tidvattenstörningen, neutrinon skulle bara vara en av många. Och utan neutrinon, observationen av tidvattenstörningen skulle bara vara en av många. Endast genom kombinationen kunde vi hitta acceleratorn och lära oss något nytt om processerna inuti." Sambandet mellan högenergineutrino och tidvattenavbrott hittades av ett sofistikerat mjukvarupaket som heter AMPEL, speciellt utvecklad på DESY för att söka efter korrelationer mellan IceCube-neutriner och astrofysiska objekt som upptäckts av Zwicky Transient Facility.

    Toppen av isberget?

    Zwicky Transient Facility designades för att fånga hundratusentals stjärnor och galaxer i ett enda skott och kan övervaka natthimlen särskilt snabbt. I dess hjärta finns Samuel-Oschin-teleskopet med en diameter på 1,3 m. Tack vare sitt stora synfält, ZTF kan skanna hela himlen över tre nätter, hitta mer variabla och övergående objekt än någon annan optisk undersökning före den. "Sedan vår start 2018 har vi upptäckt över 30 tidvattenstörningar hittills, mer än en fördubbling av det kända antalet sådana föremål, säger Sjoert van Velzen från Leiden Observatory, medförfattare till studien. "När vi insåg att den näst ljusaste TDE som observerats av oss var källan till en högenergineutrino registrerad av IceCube, vi var glada."

    "Vi kanske bara ser toppen av isberget här. I framtiden, vi förväntar oss att hitta många fler samband mellan högenergineutriner och deras källor, säger Francis Halzen, Professor vid University of Wisconsin-Madison och huvudutredare för IceCube, som inte var direkt involverad i studien. "Det byggs en ny generation av teleskop som kommer att ge större känslighet för TDE och andra potentiella neutrinokällor. Ännu viktigare är den planerade utbyggnaden av IceCube neutrinodetektorn, det skulle öka antalet kosmiska neutrino-detekteringar minst tio gånger." Denna TDE är bara andra gången, en kosmisk neutrino med hög energi kunde spåras tillbaka till sin källa. Under 2018, en multibudbärarkampanj presenterade en aktiv galax, blazaren TXS 0506+056, som den första någonsin identifierade källan till en högenergi neutrino, inspelad av IceCube 2017.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com