Dezember 6, 2022

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IceCube-Neutrinoanalyse verbindet mögliche galaktische Quelle kosmischer Strahlung

IceCube-Neutrinoanalyse verbindet mögliche galaktische Quelle kosmischer Strahlung

Zoomen / Künstlerische Darstellung einer kosmischen Neutrinoquelle, die über dem IceCube-Observatorium in der Antarktis scheint. Unter dem Eis befinden sich optische Detektoren, die Neutrinosignale aufnehmen.

IceCube / NSF

Da schlug der französische Physiker Pierre Auger vor im Jahr 1939 wer – was kosmische Strahlung Sie müssen enorme Energiemengen transportieren, und Wissenschaftler haben darüber nachgedacht, was diese mächtigen Cluster von Protonen und Neutronen erzeugen könnte, die auf die Erdatmosphäre herabregnen. Eine Möglichkeit, solche Quellen zu identifizieren, besteht darin, die Wege aufzuheben, die hochenergetische kosmische Neutrinos auf ihrem Weg zur Erde nehmen, da sie aus kosmischer Strahlung entstehen, die mit Materie oder Strahlung kollidiert, was zu Teilchen führt, die dann in Neutrinos und Gammastrahlen zerfallen.

Wissenschaftler mit Eiswürfel Das Antarktische Neutrino-Observatorium hat nun diese Neutrino-Entdeckungen aus einem Jahrzehnt analysiert und Beweise dafür gefunden, dass eine aktive Galaxie angerufen hat Messier 77 (auch als Tintenfischgalaxie bekannt) ist laut a ein starker Kandidat für einen einzelnen hochenergetischen Neutrino-Emitter neues Papier Veröffentlicht in der Zeitschrift Science. Es bringt Astrophysiker der Lösung des Rätsels um den Ursprung hochenergetischer kosmischer Strahlung einen Schritt näher.

„Diese Beobachtung stellt den Beginn der Fähigkeit dar, tatsächlich Neutrinoastronomie zu betreiben“, sagt Janet Conrad, IceCube-Mitglied vom MIT APS-Physik. „Wir haben lange darum gekämpft, potenzielle kosmische Neutrinoquellen von sehr hohem Interesse zu finden, und jetzt haben wir eine gesehen. Wir haben eine Barriere durchbrochen.“

als solche Benachrichtigen Sie uns früherUnd die Neutrinos Reisen Sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. John Updikes Gedicht von 1959, „Kosmische Frau„lobt die zwei wichtigsten Merkmale von Neutrinos: Sie haben keine Ladung, und Physiker dachten jahrzehntelang, sie hätten keine Masse (sie haben tatsächlich sehr wenig Masse). Neutrinos sind die am häufigsten vorkommenden subatomaren Teilchen im Universum, aber sie interagieren selten mit jeder Art von Material. Wir werden ständig jede Sekunde von Millionen dieser winzigen Teilchen bombardiert, aber sie durchdringen uns, ohne dass wir sie bemerken. Deshalb nannte Isaac Asimov sie „Geisterteilchen“.

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Wenn Neutrinos mit Partikeln in klarem antarktischem Eis interagieren, produzieren sie Sekundärpartikel, die auf ihrem Weg durch den IceCube-Detektor eine blaue Lichtspur hinterlassen.
Zoomen / Wenn Neutrinos mit Partikeln in klarem antarktischem Eis interagieren, produzieren sie Sekundärpartikel, die auf ihrem Weg durch den IceCube-Detektor eine blaue Lichtspur hinterlassen.

Nicole R. Fuller, IceCube / NSF

Diese niedrige Reaktionsgeschwindigkeit erzeugt Neutrinos Es ist sehr schwer zu erkennen, aber weil es so leicht ist, kann es ungehindert (und damit weitgehend unverändert) durch Kollision mit anderen Materieteilchen entweichen. Dies bedeutet, dass sie Astronomen wertvolle Hinweise auf entfernte Systeme liefern könnten, unterstützt durch das, was mit Teleskopen über das elektromagnetische Spektrum sowie über Gravitationswellen gelernt werden kann. Zusammen wurden diese verschiedenen Informationsquellen als „Multiple Messenger“-Astronomie bezeichnet.

Die meisten Neutrino-Jäger vergraben ihre Experimente tief in der Erde, und es ist besser, laute Störungen von anderen Quellen auszublenden. Im Falle des IceCube umfasst die Zusammenarbeit Anordnungen von basketballgroßen optischen Sensoren, die tief im Eis der Antarktis vergraben sind. In den seltenen Fällen, in denen ein transientes Neutrino mit dem Kern eines Atoms im Eis wechselwirkt, entstehen bei der Kollision geladene Teilchen, die ultraviolettes Licht und blaue Photonen emittieren. Diese werden von Sensoren erfasst.

IceCube ist also gut positioniert, um Wissenschaftler dabei zu unterstützen, ihr Wissen über den Ursprung hochenergetischer kosmischer Strahlung zu erweitern. Wie Natalie Wolcoffer überzeugend Erklärt in Quanta 2021:

Eine kosmische Strahlung ist nur ein Atomkern – ein Proton oder eine Gruppe von Protonen und Neutronen. Seltene kosmische Strahlen, die als „ultraenergetische kosmische Strahlen“ bekannt sind, haben jedoch genauso viel Energie wie professionell servierte Tennisbälle. Sie sind millionenfach energiereicher als die Protonen, die mit 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit um den kreisförmigen Tunnel des Large Hadron Collider in Europa kreisen. Tatsächlich traf der energiereichste kosmische Strahl, der jemals entdeckt wurde und als „Oh mein Gott“-Partikel bezeichnet wird, 1991 mit 99,9999999999999999999951 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in den Himmel ein und verlieh ihm die Energie einer Bowlingkugel, die von Schulterhöhe auf Zehenhöhe fiel .

Aber woher stammen solche mächtigen kosmischen Strahlen? Eine der starken Möglichkeiten Aktive galaktische Kerne (AGNs), gefunden in der Mitte einiger Galaxien. Seine Energie stammt von den supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum der Galaxie und/oder von der Rotation des Schwarzen Lochs.

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