Neutrinohändelsen IceCube 170922A, upptäckt vid IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen, verkar härstamma från den avlägsna aktiva galaxen TXS 0506+056, vid ett ljusreseavstånd av 3,8 miljarder ljusår. TXS 0506+056 är en av många aktiva galaxer och det förblev ett mysterium varför och hur bara denna galax har genererat neutriner än så länge.

Ett internationellt team av forskare under ledning av Silke Britzen från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, studerade högupplösta radioobservationer av källan mellan 2009 och 2018, före och efter neutrinohändelsen. Teamet föreslår att den förbättrade neutrinoaktiviteten under en tidigare neutrino-flare och den enda neutrinon kunde ha genererats av en kosmisk kollision inom TXS 0506+056. Sammanstötningen av jetmaterial nära ett supermassivt svart hål verkar ha producerat neutrinerna.

Resultaten publiceras i Astronomi &Astrofysik , 2 oktober, 2019.

Den 12 juli, 2018, IceCube-samarbetet tillkännagav upptäckten av den första högenergineutrinon, IceCube-170922A, som kunde spåras tillbaka till ett avlägset kosmiskt ursprung. Medan neutrinos kosmiska ursprung hade misstänkts ganska länge, detta var den första neutrinon från yttre rymden vars ursprung kunde bekräftas. Den här neutrinons "hem" är en aktiv galaktisk kärna (AGN) - en galax med ett supermassivt svart hål som central motor. Ett internationellt team kunde nu klargöra produktionsmekanismen för neutrinon och hittade en motsvarighet till en kolliderare på jorden:en kosmisk kollision av jetted material.

AGN är de mest energirika objekten i vårt universum. Drivs av ett supermassivt svart hål, materia ansamlas och strömmar av plasma (så kallade jets) skickas ut i det intergalaktiska rymden. BL Lac-objekt utgör en speciell klass av dessa AGN, där strålen direkt pekar mot oss och dominerar den observerade strålningen. Neutrinohändelsen IceCube-170922A verkar härröra från BL Lac-objektet TXS 0506+056, en galax med en rödförskjutning på z=0,34, motsvarande ett ljusreseavstånd på 3,8 miljarder ljusår. En analys av IceCube-arkivdata från IceCube Collaboration hade avslöjat bevis på en förbättrad neutrinoaktivitet tidigare, mellan september 2014 och mars 2015.

Andra BL Lac-objekt visar egenskaper som liknar TXS 0506+056. "Det var lite av ett mysterium, dock, varför endast TXS 0506+056 har identifierats som en neutrinosändare, " förklarar Silke Britzen från Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), tidningens huvudförfattare. "Vi ville reda ut vad som gör TXS 0506+056 speciell, för att förstå processen för att skapa neutriner och att lokalisera emissionsplatsen och studerade en serie högupplösta radiobilder av jetplanen."

Till deras stora förvåning, forskarna fann en oväntad interaktion mellan jetmaterial i TXS 0506+056. Medan jetplasma vanligtvis antas flöda ostört i en sorts kanal, situationen verkar annorlunda i TXS 0506+056. Teamet föreslår att den förstärkta neutrinoaktiviteten under neutrinon blossar upp 2014–2015 och den enda EHE-neutrinon. IceCube-170922A kunde ha genererats av en kosmisk kollision i källan.

Denna kosmiska kollision kan förklaras av att nytt jetmaterial kraschar in i äldre jetmaterial. En starkt krökt jetstruktur ger den rätta inställningen för ett sådant scenario. En annan förklaring innebär kollisionen av två jetplan i samma källa. I båda scenarierna, det är kollisionen av jetted material som genererar neutrinon. Markus Böttcher från North-West University i Potchefstroom (Sydafrika), en medförfattare till tidningen, utförde beräkningarna med avseende på strålningen och partikelemissionen. "Denna kollision av jetted material är för närvarande den enda livskraftiga mekanismen som kan förklara neutrinodetekteringen från denna källa. Den ger oss också viktig inblick i jetmaterialet och löser en långvarig fråga om jetstrålar är leptoniska, bestående av elektroner och positroner; eller hadronic, bestående av elektroner och protoner; eller en kombination av båda. Åtminstone en del av jetmaterialet måste vara hadroniskt – annars, vi skulle inte ha upptäckt neutrinon."

Under den kosmiska utvecklingen av vårt universum, kollisioner av galaxer verkar vara ett frekvent fenomen. Om man antar att båda galaxerna innehåller centrala supermassiva svarta hål, den galaktiska kollisionen kan resultera i ett par svarta hål i mitten. Detta svarta hålspar kan så småningom smälta samman och producera den supermassiva motsvarigheten till stjärnsammanslagningar av svarta hål som detekteras i gravitationsvågor av LIGO/Virgo-samarbetet.

AGN med dubbla svarta hål vid en liten separation på endast ljusår har eftersträvats i många år. Dock, de verkar vara sällsynta och svåra att identifiera. Förutom kollisionen av jetted material, teamet hittade också bevis för en precession av central jet av TXS 0506+056. Enligt Michal Zajaček från Center for Theoretical Physics, Warszawa:"Denna precession kan generellt förklaras av närvaron av ett supermassivt svart hål binärt eller Lense-Thirring-precessionseffekten som förutspåtts av Einsteins allmänna relativitetsteori. Den senare kan också triggas av en sekund, mer avlägset svart hål i mitten. Båda scenarierna leder till en vandring i jetriktningen, som vi observerar."

Christian Fendt från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg är förvånad:"Ju närmare vi tittar på jetkällorna desto mer komplicerad framstår den interna strukturen och jetdynamiken. Medan binära svarta hål producerar en mer komplex utflödesstruktur, deras existens förväntas naturligtvis från de kosmologiska modellerna av galaxbildning genom galaxsammanslagningar."

Silke Britzen betonar den vetenskapliga potentialen i fynden:"Det är fantastiskt att förstå neutrinogenerationen genom att studera insidan av jetstrålar. Och det skulle vara ett genombrott om vår analys hade gett ytterligare en kandidat för en binär svarthåls jetkälla med två jetstrålar."

Det verkar vara första gången som en potentiell kollision av två jetstrålar på skalor av några ljusår har rapporterats och att upptäckten av en kosmisk neutrino kan spåras tillbaka till en kosmisk jet-kollision.

Även om TXS 0506+056 kanske inte är representativ för klassen av BL Lac-objekt, denna källa skulle kunna tillhandahålla den rätta inställningen för en upprepad interaktion av jetted material och generering av neutriner.