Mycket energiska och svåra att upptäcka, neutriner färdas miljarder ljusår innan de når vår planet. Även om det är känt att dessa elementarpartiklar kommer från djupet av vårt universum, är deras exakta ursprung fortfarande okänt. Ett internationellt forskarlag, ledd av universitetet i Würzburg och universitetet i Genève (UNIGE), kastar ljus över en aspekt av detta mysterium:neutriner tros vara födda i blazarer, galaktiska kärnor som matas av supermassiva svarta hål. Dessa resultat publiceras i tidskriften The Astrophysical Journal Letters .

Jordens atmosfär bombarderas kontinuerligt av kosmiska strålar. Dessa består av elektriskt laddade partiklar med energi upp till 10 ²⁰ elektronvolt. Det är en miljon gånger mer än energin som uppnås i världens mest kraftfulla partikelaccelerator, Large Hadron Collider nära Genève. De extremt energirika partiklarna kommer från djupa yttre rymden, de har rest miljarder ljusår. Var kommer de från, vad skjuter dem genom universum med en sådan enorm kraft? Dessa frågor är bland astrofysikens största utmaningar på över ett sekel.

Kosmiska strålars födelseplatser producerar neutriner. Neutrinos är neutrala partiklar som är svåra att upptäcka. De har nästan ingen massa och interagerar knappt med materia. De tävlar genom universum och kan resa genom galaxer, planeter och människokroppen nästan spårlöst. "Astrofysiska neutriner produceras uteslutande i processer som involverar acceleration av kosmisk strålning", förklarar astrofysikprofessor Sara Buson från Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland. Det är just detta som gör dessa neutriner till unika budbärare som banar väg för att lokalisera kosmiska strålkällor.

Ett steg framåt i en kontroversiell debatt

Trots den stora mängd data som astrofysiker har samlat in, har associeringen av högenergineutrinos med de astrofysiska källorna som härrör från dem varit ett olöst problem i flera år. Sara Buson har alltid sett det som en stor utmaning. Det var 2017 som forskaren och medarbetare först tog med sig en blazar (TXS 0506+056) i diskussionen som en förmodad neutrinokälla i tidskriften Science . Blazarer är aktiva galaktiska kärnor som drivs av supermassiva svarta hål som avger mycket mer strålning än hela deras galax. Publikationen väckte en vetenskaplig debatt om huruvida det verkligen finns ett samband mellan blazarer och högenergineutriner.

Efter detta första uppmuntrande steg inledde Prof. Busons grupp i juni 2021 ett ambitiöst forskningsprojekt med flera budbärare med stöd av Europeiska forskningsrådet. Detta innebär att analysera olika signaler ("budbärare", t.ex. neutriner) från universum. Huvudmålet är att kasta ljus över ursprunget till astrofysiska neutrinos, och möjligen etablera blazarer som den första källan till extragalaktiska högenergineutriner med hög säkerhet.

Projektet visar nu sin första framgång:I tidskriften Astrophysical Journal Letters , Sara Buson, tillsammans med sin grupp, den tidigare postdoktorn Raniere de Menezes (JMU) och med Andrea Tramacere från universitetet i Genève, rapporterar att blazarer med säkerhet kan associeras med astrofysiska neutriner med en oöverträffad grad av säkerhet.

Avslöjar blazarernas roll

Andrea Tramacere är en av experterna på numerisk modellering av accelerationsprocesser och strålningsmekanismer som verkar i relativistiska jetstrålar - utflöden av accelererad materia som närmar sig ljusets hastighet - i synnerhet blazarjetstrålar. "Accretionsprocessen och det svarta hålets rotation leder till bildandet av relativistiska jetstrålar, där partiklar accelereras och avger strålning upp till tusen miljarder energier av det synliga ljuset! Upptäckten av sambandet mellan dessa objekt och det kosmiska strålar kan vara "Rosetta-stenen" inom högenergiastrofysiken."

För att komma fram till dessa resultat använde forskargruppen neutrinodata från IceCube Neutrino Observatory i Antarktis - den känsligaste neutrinodetektorn som för närvarande är i drift - och BZCat, en av de mest exakta katalogerna över blazarer. "Med dessa data var vi tvungna att bevisa att blazarerna vars riktningspositioner sammanföll med neutrinernas positioner inte var där av en slump." För att göra detta utvecklade UNIGE-forskaren en programvara som kan uppskatta hur mycket fördelningen av dessa objekt på himlen ser likadana ut. "Efter att ha slagit tärningen flera gånger upptäckte vi att den slumpmässiga associationen bara kan överstiga den för de verkliga data en gång på en miljon försök! Detta är ett starkt bevis på att våra associationer är korrekta."

Trots denna framgång tror forskargruppen att detta första prov av föremål bara är "toppen av isberget". Detta arbete har gjort det möjligt för dem att samla "nya observationsbevis", vilket är den viktigaste ingrediensen för att bygga mer realistiska modeller av astrofysiska acceleratorer. "Vad vi behöver göra nu är att förstå vad den huvudsakliga skillnaden är mellan objekt som avger neutriner och de som inte gör det. Detta kommer att hjälpa oss att förstå i vilken utsträckning miljön och acceleratorn "pratar" med varandra. Vi kommer att sedan kunna utesluta vissa modeller, förbättra andras förutsägelsekraft och slutligen lägga till fler bitar till det eviga pusslet med acceleration av kosmisk strålning." + Utforska vidare

Gammastrålar och neutriner från mjuka supermassiva svarta hål