I över ett sekel, Forskare har observerat mycket högenergiladdade partiklar som kallas kosmiska strålar som anländer utanför jordens atmosfär. Ursprunget till dessa partiklar är mycket svårt att fastställa eftersom partiklarna själva inte färdas på en rak väg till jorden. Även gammastrålar, en typ av högenergifoton som ger lite mer insikt, absorberas när du korsar långa sträckor.

IceCube Neutrino Observatory, en rad optiska moduler begravda i en kubikkilometer is på Sydpolen, jagar efter kosmiska strålkällor i och utanför vår galax – som sträcker sig till galaxer som är mer än miljarder ljusår bort – med hjälp av tips från svårfångade partiklar som kallas neutriner. Dessa neutriner förväntas produceras av kosmisk strålkollisioner med gas eller strålning nära källorna.

Till skillnad från kosmiska strålar, neutriner absorberas inte eller avleds inte på väg till jorden, vilket gör dem till ett praktiskt verktyg för att lokalisera och förstå kosmiska acceleratorer. Om forskare kan hitta en källa till astrofysiska neutriner med hög energi, detta skulle vara en rykande pistol för en kosmisk strålkälla.

Efter 10 års sökande efter ursprunget till astrofysiska neutriner, en ny all-sky search ger den mest känsliga sonden för tidsintegrerad neutrinonemission av punktliknande källor. IceCube Collaboration presenterar resultaten av denna skanning i ett dokument som nyligen lämnats in till Fysiska granskningsbrev .

Tessa Carver ledde denna analys under ledning av Teresa Montaruli i Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire vid universitetet i Genève i Schweiz. "IceCube har redan observerat ett astrofysiskt flöde av neutriner, så vi vet att de finns och är detekterbara – vi vet bara inte exakt var de kommer ifrån, säger Carver, nu postdoc vid Cardiff University. "Det är bara en fråga om tid och precision tills vi kan identifiera källorna bakom detta neutrinoflux."

Den främsta utmaningen i att söka efter astrofysiska neutrinokällor med IceCube är den överväldigande bakgrunden till händelser som induceras av kosmisk strålning i vår atmosfär. Signalen från svaga neutrinokällor måste extraheras via sofistikerade statistiska analystekniker.

Genom att använda dessa metoder, Carver och hennes medarbetare "skannade" över hela himlen för att leta efter punktliknande neutrinokällor på godtyckliga platser. Denna skanningsmetod kan identifiera mycket ljusa neutrinokällor som kan vara osynliga i gammastrålar, som också produceras vid kosmiska strålkollisioner.

För att vara känslig för svagare källor, de analyserade också 110 galaktiska och extragalaktiska källkandidater, som har observerats via gammastrålar. De kombinerade sedan resultaten från enskilda källor i denna lista i en "populationsanalys, " som letar efter en högre än förväntat frekvens av signifikanta resultat från den individuella källlistans sökning. Detta gör det möjligt för forskare att hitta betydande neutrinonemission, även om källorna i listan är för svaga för att kunna observeras individuellt.

Forskare använde också en "stackningssökning" efter tre kataloger av gammastrålkällor i vår galax. Denna sökning lägger samman all emission från grupper av kända objekt av samma typ under antagandet att de har välkända emissionsegenskaper. Även om det avsevärt kan minska emissionen per källa som krävs för att observera ett stort överskott av signal över bakgrunden, denna sökning är begränsad genom att den kräver mer kunskap om källorna i katalogen.

Även om de olika analyserna inte upptäckte stabila neutrinokällor, resultaten är ändå spännande:några av objekten i katalogen över kända källor visade ett högre neutrinoflöde än förväntat, med överskott på 3σ-nivån. Särskilt, genomsökningen av himlen avslöjade att den "hetaste" platsen på himlen är bara 0,35 grader från starburst-galaxen NGC 1068, som har ett överskott på 2,9σ över bakgrunden. NGC 1068 är ett av de svarta hålen som ligger närmast oss; den är inbäddad i ett stjärnbildande område med massor av materia för neutriner att interagera med medan de högenergiska gammastrålarna dämpas, som visas av Fermi och MAGIC mätningar. Detta är det mest betydande överskottet som har setts förutom TXS 0506+056, 2017 års källa som IceCube fann sammanfalla med en gammastrålning. Fortfarande, dessa potentiella neutrinokällor kräver mer data med en mer känslig detektor, som IceCube-Gen2, att bli bekräftad.

Forskarna fann också att källkatalogen på norra halvklotet som helhet skilde sig från bakgrundsförväntningarna med en signifikans på 3,3σ. Carver säger att dessa resultat visar en stark motivation att fortsätta att analysera objekten i katalogen. Tidsberoende analyser, som söker efter bloss med topputsläpp, och möjligheten att korrelera neutrinonemission med elektromagnetiska eller gravitationsvågobservationer för dessa och andra källor kan ge ytterligare bevis på neutrinonemission och insikter om neutrinos ursprung. Med fortsatt datainsamling, mer raffinerad riktningsrekonstruktion, och den kommande IceCube-uppgraderingen, ytterligare förbättringar av känsligheten är på väg.

"Vi har turen att ha den unika möjligheten att vara de första människorna som kartlägger universum med neutriner, som ger ett helt nytt perspektiv, " säger Carver. "Också, dessa framsteg inom neutrinoastronomi åtföljs av stora framsteg inom gravitationsvågsfysik och kosmisk strålningsfysik."

Montaruli tillägger, "Medan vi är i gryningen av en ny era inom astronomi som observerar universum inte bara med ljus, det här är första gången vi har börjat se potentiellt betydande överskott av kandidatneutrinohändelser kring intressanta extragalaktiska objekt i tidsoberoende sökningar."