Egy nemzetközi kutatócsoport kinyomozta, honnan erednek a kozmikus neutrínók, azok az elemi részecskék, amelyek a Világegyetem mélyéről érkeznek bolygónkra.

Művészi illusztráció egy blazárról, amely nagy energiával indítja útnak a kozmikus sugarakat, neutrínókat és fotonokat, ahogy azt a petaelektronvoltos blazárokban megfigyelték. (Forrás: Benjamin Amend)

A nagy energiájú és nehezen észlelhető neutrínók több milliárd fényévet utaznak, mire elérik bolygónkat. Bár azt tudjuk, hogy ezek az elemi részecskék az Univerzum mélyéről származnak, a pontos eredetük ismeretlen. Egy nemzetközi kutatócsoport vizsgálatának célpontja az az elmélet volt, mely szerint a neutrínók blazárokban, szupernagy tömegű fekete lyukak által táplált galaxismagokban születnek. Eredményeiket az Astrophysical Journal Letters című folyóiratban tették közzé.

A Föld légkörét folyamatosan bombázza a kozmikus sugárzás, amit akár 1020 elektronvolt energiájú, elektromosan töltött részecskék alkotnak. Ez milliószor nagyobb energia, mint amit a világ legerősebb részecskegyorsítójával, a genfi Nagy Hadronütköztetővel sikerült elérni. Az extrém nagy energiájú részecskék a mélyűrből indulnak, és több milliárd fényévet utaznak hozzánk. Vajon honnan származnak, és mi lövi át őket ilyen hatalmas erővel az Univerzumon? Ezek a kérdések több mint egy évszázada az asztrofizika legnagyobb rejtélyei közé tartoznak.

A kozmikus sugárzás bölcsői neutrínókat hoznak létre. A neutrínók semleges részecskék, amelyeket nehéz detektálni. Szinte egyáltalán nincs tömegük, és alig lépnek kapcsolatba az anyaggal. Száguldoznak a Világegyetemben, és szinte nyom nélkül át tudnak utazni a galaxisokon, a bolygókon és az emberi testen. „Kozmikus neutrínók kizárólag a kozmikus sugárzás gyorsulásával járó folyamatok során keletkeznek.” – magyarázza Sara Buson asztrofizikus (JMU). Ez teszi egyedülálló hírvivőkké ezeket a neutrínókat, amelyek segítségével visszakövethetjük a kozmikus sugarakat a forrásukig.

Annak ellenére, hogy az asztrofizikusok rengeteg adatot gyűjtöttek, a nagy energiájú neutrínók és forrásuk összekapcsolására évekig nem került sor. Sara Buson mindig is nagy kihívásnak tartotta ezt. 2017-ben munkatársaival elsőként nevezett meg egy blazárt (TXS 0506+056) a Science című lapban, mint valószínű neutrínóforrást. A blazárok aktív galaxismagok, melyeket a teljes galaxisuknál is nagyobb energiát kibocsátó szupernagy tömegű fekete lyukak táplálnak. A szakcikk parázs vitát váltott ki a tudományos közösségben arról, hogy van-e kapcsolat a blazárok és a nagy energiájú neutrínók között.

Az első biztató lépést követően Sara Buson kutatócsoportja ambiciózus „multi-messenger” (többcsatornás) kutatási projektet indított az Európai Kutatási Tanács (ERC) támogatásával. Fő céljuk az volt, hogy fényt derítsenek a kozmikus neutrínók eredetére, és kiderítsék, hogy a blazárok lehetnek-e nagy valószínűséggel az extragalaktikus, nagy energiájú neutrínók forrásai.

A projekt most büszkélkedhet az első sikerrel: Sara Buson és munkatársai az Astrophysical Journal Letters című lapban arról számoltak be, hogy a blazárok nagy bizonyossággal kapcsolatba hozhatók a kozmikus neutrínókkal.

A kutatócsoport tagja, Andrea Tramacere egyike a relativisztikus plazmanyalábokban végbemenő gyorsítási folyamatok és sugárzási mechanizmusok numerikus modellezését végző szakembereknek. „Az anyagbefogási folyamat és a fekete lyuk forgása vezet a relativisztikus jetek kialakulásához, amelyekben a felgyorsult részecskék akár a látható fény energiájának ezermilliárdszorosával sugározhatnak. Ezen égitestek és a kozmikus sugarak közötti kapcsolat talán a nagy energiájú asztrofizika „Rosette-i köve” is lehet.” – mondja.

A kutatók az Antarktiszon lévő, jelenleg legérzékenyebb neutrínó-detektor, az IceCube Neutrínó Obszervatórium neutrínó-adataiból, illetve a legpontosabb blazárkatalógus, a BZCat adataiból dolgoztak. „Ezekkel az adatokkal kellett bizonyítanunk, hogy a blazárok helyzete nem véletlenül esik egybe a neutrínókéval.” Ehhez a Genfi Egyetem kutatója kifejlesztett egy szoftvert, amely képes megbecsülni, hogy a blazárok iránya az égbolton mennyire esik egybe a neutrínókéval. „Rájöttünk, hogy a véletlenszerű egybeesés egymillió mintában csak egyszer fordul elő! Ez erős bizonyítéka annak, hogy a megállapított egybeesések helyesek.”

A siker ellenére a kutatók úgy gondolják, hogy az első körben vizsgált égitestek csak a jéghegy csúcsát jelentik. Ez a munka lehetővé tette számukra, hogy új bizonyítékokat gyűjtsenek, amelyek feltétlenül szükségesek az asztrofizikai gyorsítók valósághűbb modelljeihez. „A következő feladat, hogy megértsük, mi a fő különbség a neutrínókat kibocsátó égitestek és azok között, amelyek nem bocsátanak ki neutrínókat. Ez segít megértenünk, hogy milyen kapcsolat van a gyorsító és környezete között. Ezután kizárhatunk néhány modellt, javíthatjuk a többit, és végül további darabokat illeszthetünk a kozmikus sugarak gyorsulásának kirakósához.”

Forrás: Université de Genève