Ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας από το παρατηρητήριο IceCube στο Νότιο Πόλο. Ghost particle that crashed into Antarctica traced back to star shredded by black hole

Η ανακάλυψη ρίχνει νέο φως στην προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας, δηλαδή εκείνων των σωματιδίων στο σύμπαν που έχουν την μεγαλύτερη ενέργεια. Στη Γη τα υποατομικά σωματίδια νετρίνα παράγονται μόνο σε ισχυρούς επιταχυντές. Στο σύμπαν τα νετρίνα και οι πηγές προέλευσης τους θεωρούνται από τα δυσκολότερα πράγματα να ανιχνευθούν, γι' αυτό η ανακάλυψη θεωρείται σημαντική. Smoking gun: After the supermassive black hole tore the star apart, roughly half of the star debris was flung back out into space, while the remainder formed a glowing accretion disc around the black hole. The system shone brightly across many wavelengths and is thought to have produced energetic, jet-like outflows perpendicular to the accretion disc. A central, powerful engine near the accretion disc spewed out these fast subatomic particles. Credit: DESY, Science Communication Lab

Οι επιστήμονες κατάφεραν να ανιχνεύσουν στη Γη την παρουσία ενός νετρίνου πολύ υψηλής ενέργειας, ενός σωματιδίου-φαντάσματος, το οποίο δημιουργήθηκε κατά την καταστροφή ενός άστρου από την κολοσσιαία βαρύτητα μια μαύρης τρύπας με μάζα όσο 30 εκατομμύρια ήλιοι.

A star being ripped to shreds after it approaches a black hole. Scientists have detected a neutrino -- the "ghost particle" -- from such an event for the first time. Credit: DESY, Science Communication Lab

Το συμβάν, σε απόσταση 700 εκατομμυρίων ετών, λίγο πριν εμφανιστούν τα πρώτα ζώα στη Γη, δημιούργησε ένα είδος γιγάντιου κοσμικού επιταχυντή σωματιδίων, εξαπολύοντας νετρίνα που πρόσφατα έφθασαν και διαπέρασαν τη Γη.

Η ανακάλυψη ρίχνει νέο φως στην προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας, δηλαδή εκείνων των σωματιδίων στο σύμπαν που έχουν την μεγαλύτερη ενέργεια. Στη Γη τα υποατομικά σωματίδια νετρίνα παράγονται μόνο σε ισχυρούς επιταχυντές. Στο σύμπαν τα νετρίνα και οι πηγές προέλευσης τους θεωρούνται από τα δυσκολότερα πράγματα να ανιχνευθούν, γι' αυτό η ανακάλυψη θεωρείται σημαντική.

Οι ερευνητές από δεκάδες ερευνητικούς φορείς πολλών χωρών έκαναν δύο σχετικές δημοσιεύσεις στο περιοδικό αστρονομίας "Nature Astronomy". Όπως δήλωσε ο Σιόερτ βαν Βέλτσεν του ολλανδικού Πανεπιστημίου του Λέιντεν, «η προέλευση των κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας είναι άγνωστη, πρωτίστως επειδή είναι άκρως δύσκολο να εντοπισθούν. Είναι μόλις η δεύτερη φορά που ανιχνεύθηκε η πηγή ενός τέτοιου νετρίνου υψηλής ενέργειας».

Ο ανιχνευτής νετρίνων IceCube. Ένα από τα πιο φιλόδοξα και αντισυμβατικά επιστημονικά όργανα βρίσκεται κοντά στον Νότιο Πόλο, θαμμένο βαθιά μέσα στους πάγους και βλέπει προς τα κάτω, όχι προς τα πάνω. Πρόκειται για το παρατηρητήριο IceCube που όμοιό του δεν υπάρχει. Ο ίδιος ο παγετωνικός πάγος, διαφανής και απαλλαγμένος από φυσαλίδες αέρα χάρη στην ακραία πίεση που επικρατεί σε βάθη μεγαλύτερα από ενάμισι χιλιόμετρο, εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό που εξυπηρετεί το λείο πρωτεύον κάτοπτρο ενός συμβατικού αστρονομικού τηλεσκοπίου. Ενταφιασμένα στο εσωτερικό του είναι 86 επιμήκη κατακόρυφα ατσάλινα καλώδια, που στο κάθε ένα υπάρχουν αναρτημένες 60 σφαίρες στο μέγεθος μπάλας του μπάσκετ, ανά τακτά διαστήματα. Κάθε μία από τις 5160 σφαίρες περιέχει οπτικούς αισθητήρες και ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι αισθητήρες, οι οποίοι ονομάζονται φωτολυχνίες, λειτουργούν αντίστροφα από τους λαμπτήρες φωτισμού: συγκεντρώνουν το φως και παράγουν ηλεκτρικά σήματα. Στην περίπτωση του IceCube, οι αισθητήρες ελέγχουν εξονυχιστικά τον υπόγειο πάγο για αμυδρές μπλε λάμψεις που περιστασιακά τρεμοπαίζουν μέσα στο γαλήνιο σκοτάδι. Κάθε φορά που ένας αισθητήρας ανιχνεύει κάποια λάμψη στέλνει ένα σήμα στους υπολογιστές που βρίσκονται στην επιφάνεια. Οι μπλε λάμψεις δηλώνουν την διέλευση των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι γνωστά ως μιόνια, τα οποία ανήκουν στην ίδια κατηγορία με τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν περίπου διακόσιες φορές μεγαλύτερη μάζα. Με τον συνδυασμό των σημάτων από τους διάφορους κόμβους αυτού του ενταφιασμένου δικτύου αισθητήρων, οι φυσικοί μπορούν να παρακολουθήσουν την πορεία ενός μιονίου στις τρεις διαστάσεις. Όμως οι ερευνητές δεν κυνηγούν τα ίδια τα μιόνια. Κυνηγούν νετρίνα, τους πιο φευγαλέους και αλλόκοτους απ’ όλους τους θαμώνες του υποατομικού κόσμου τους οποίους γνωρίζουμε. Αυτά τα σωματίδια-φαντάσματα αλληλεπιδρούν κάθε τόσο με πρωτόνια στα μόρια του πάγου και απελευθερώνουν μιόνια, κάτι που προδίδει την παρουσία τους καθώς τα μιόνια με τη σειρά τους φωτίζουν τον πάγο. Το νεογέννητο μιόνιο ταξιδεύει μέσα στον πάγο συνεχίζοντας την ίδια διαδρομή που ακολούθησε το εισερχόμενο νετρίνο, οπότε οι ερευνητές μπορούν, εξετάζοντας το ίχνος του μιονίου, να υπολογίσουν από ποια κατεύθυνση μας ήρθε το νετρίνο. Τα νετρίνα δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, η μάζα τους είναι απειροελάχιστη και σπανιότατα αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια. Ένα τυπικό νετρίνο θα μπορούσε να ταξιδέψει απόσταση ίση με ένα έτος φωτός μέσα σε μόλυβδο (!!) και να μην αλληλεπιδράσει ούτε με ένα άτομο. Αυτό είναι άλλωστε το πρόβλημα με τα νετρίνα: είναι παθολογικώς ντροπαλά! Η σφοδρότατη απροθυμία τους για συναναστροφές δυσχεραίνει τον εντοπισμό τους, γι’ αυτό και το κυνήγι των νετρίνων είναι πολύ δύσκολη δουλειά. Όμως μια στο τόσο όλο και κάποιο νετρίνο θα συγκρουστεί με κάτι, π.χ. με ένα πρωτόνιο σ’ ένα μόριο νερού – ουσιαστικά, πρόκειται για ατύχημα. Οι επιστήμονες κατασκευάζουν λοιπόν εξαιρετικά μεγάλες ανιχνευτικές διατάξεις, όπως το Ice Cube, με σκοπό να αυξήσουν την πιθανότητα των τυχαίων συγκρούσεων και, επομένως, τις ευκαιρίες να παρατηρήσουμε νετρίνα. Πηγή: Ρέυ Τζαγιαουόρντανα, «Κυνηγοί Νετρίνων», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.

Τόσο η προηγούμενη όσο και η νέα ανίχνευση έγινε από το αμερικανικό Παρατηρητήριο Νετρίνων IceCube στο Νότιο Πόλο, το οποίο βρίσκεται στο σταθμό Αμούντσεν-Σκοτ των ΗΠΑ στην Ανταρκτική.

Heart of darkness: A view of the accretion disc around the supermassive black hole, with jet-like structures flowing away from the disc. The extreme mass of the black hole bends spacetime, allowing the far side of the accretion disc to be seen as an image above and below the black hole. Credit: DESY, Science Communication Lab

Το 2017 ο εν λόγω παγωμένος ανιχνευτής εντόπισε ένα νετρίνο, η πηγή του οποίου προσδιορίστηκε το 2018 ότι ήταν ένας ενεργός γαλαξίας (blazer). Η πρωτοτυπία αυτή τη φορά έγκειται στο ότι είναι το πρώτο ανιχνεύσιμο νετρίνο από ένα κατακλυσμικό συμβάν, συγκεκριμένα την καταστροφή ενός καταδικασμένου άστρου που πλησίασε πολύ μια μαύρη τρύπα. Αυτά τα γεγονότα, για τα οποία οι αστροφυσικοί δεν ξέρουν πολλά πράγματα, μπορούν να λειτουργήσουν ως πανίσχυροι φυσικοί επιταχυντές σωματιδίων.

A high-energy neutrino may have been born when a star was ripped apart by a black hole (illustrated), scientists report. Gas (red) stripped from the star spirals toward the black hole. Some stellar material is swallowed up while some is flung outward (blue). Credit: M.WEISS/CXC/NASA

Το νετρίνο υπερυψηλής ενέργειας, που έγινε αντιληπτό από το IceCube, «προσέκρουσε στον πάγο της Ανταρκτικής με την αξιοσημείωτη ενέργεια άνω των 100 τεραηλεκτρονιοβόλτ. Συγκριτικά, είναι τουλάχιστον δεκαπλάσια ενέργεια από αυτή που μπορεί να επιτευχθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο, στο CERN», δήλωσε η καθηγήτρια του γερμανικού Πανεπιστημίου του Μπόχουμ Άνα Φρανκόβιακ.

Παρά την τόσο μεγάλη ενέργειά τους, τα κοσμικά νετρίνα, που ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή στο σύμπαν, είναι τόσο ελαφριά που διαπερνούν απαρατήρητα τα πάντα, ακόμη και ολόκληρους πλανήτες ή άστρα, γι' αυτό έχουν ονομαστεί σωματίδια-φαντάσματα. Η «σύλληψη» ακόμη κι ενός μόνο τέτοιου φευγαλέου σωματιδίου συνιστά επίτευγμα.

As the star approaches the black hole, the enormous tidal forces stretch it more and more until it is finally shredded. Half of the stellar debris is flung back into space, while the remaining part forms a rotating accretion disk from which two strong outflows of matter shoot up and down. The system acts as a powerful natural particle accelerator. Credit: DESY, Science Communication Lab

Την ανίχνευση του νετρίνου από το IceCube ακολούθησαν αστρονομικές παρατηρήσεις με πολλά όργανα σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, από τα ραδιοκύματα έως τις ακτίνες-Χ, εωσότου εντοπισθεί η πηγή προέλευσης του.

Η νέα ανακάλυψη, όπως ανέφερε ο καθηγητής αστρονομίας Μάρεκ Κοβάλσκι του Πανεπιστημίου Χούμπολτ του Βερολίνου, αναδεικνύει για μια άλλη φορά τη σημασία της αστρονομίας πολλαπλών μέσων (multi-messenger astronomy), η οποία δεν βασίζεται πια μόνο στα φωτόνια αλλά και σε άλλα μέσα, όπως τα νετρίνα και τα βαρυτικά κύματα, για να μελετήσει τα φαινόμενα στο σύμπαν.

Πηγές: R. Stein et al. A high-energy neutrino coincident with a tidal disruption event. arXiv:2005.05340. Posted May 11, 2020. - W. Winter and C. Lunardini. A concordance scenario for the observation of a neutrino from the Tidal Disruption Event AT2019dsg. arXiv:2005.06097. Posted May 13, 2020. - https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=2030 - https://www.amna.gr/home/article/531025/Apo-mia-mauri-trupa-sto-Notio-Polo--oi-epistimones-entopisan-tin-proeleusi-enos-somatidiou-fantasmatos-apo-ena-makrino-kosmiko-epitachunti - https://physicsgg.me/2021/02/23