Neutrina i promienie gamma – na tropie źródeł promieni kosmicznych

Dwudziestego drugiego września ubiegłego roku detektory obserwatorium IceCube wykryły wysokoenergetyczne neutrino, najprawdopodobniej kosmicznego pochodzenia. Dotychczas jedynie w dwóch przypadkach – Słońca i supernowej 1987A – udało się zidentyfikować tego typu cząstki z obiektami astrofizycznymi. Detekcja IceCube stała się kolejną szansą na ustalenie źródła pochodzenia cząstki promieniowania kosmicznego.

Wykrycie pojedynczego neutrina nie wystarcza jednak do identyfikacji źródła jego pochodzenia, gdyż detektory IceCube umożliwiają jedynie określenie stosunkowo dużego obszaru nieba, z którego cząstka dotarła. W związku z tym niemal natychmiast po detekcji neutrina rozpoczęły się intensywne obserwacje tego fragmentu nieba  za pomocą teleskopów działających w różnych zakresach widmowych.  Już w cztery godziny po rozpowszechnieniu informacji wykonano obserwacje w zakresie wysokich energii – najpierw przez obserwatorium H.E.S.S w Namibii, a potem, po 12 godzinach, teleskopem VERITAS w Arizonie (USA). Następnego dnia do obserwacji przyłączył się teleskop MAGIC na Wyspach Kanaryjskich.  Wszystkie te obserwacje dały jedynie górne ograniczenie na jasność źródła.  Kilka dni później – od 24 września do 4 października ubiegłego roku – obserwowano ponownie ten sam obszar nieba, w sumie przez 13 godzin, za pomocą teleskopu MAGIC. W czasie tych obserwacji jasność źródła zwiększyła się na tyle, że stało się ono możliwe do zaobserwowania.

Obserwacje, które prowadzone były przez wiele innych instrumentów w zakresie od promieniowania radiowego do promieniowania gamma wysokich energii, wskazują że źródłem neutrina była aktywna galaktyka – blazar TXS 0506+056 znajdująca się w odległości około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi. W galaktykach tego typu materia spadająca na bardzo masywną czarną dziurę powoduje powstanie strumienia wysokoenergetycznych cząstek. Blazary obserwujemy wzdłuż kierunku wypływu wysokoenergetycznej strugi materii. Zachodzi w nich przyspieszanie cząstek do bardzo wysokich energii, jednak z obserwacji promieniowania gamma nie możemy określić, czy są to elektrony, czy też protony i cięższe jądra atomowe. Obserwacje neutrin wskazują na ślad po przyspieszanych protonach lub nawet jądrach. Szybkie protony zderzają się cząstkami gazu międzygwiazdowego, tworząc piony które następnie rozpadają się emitując neutrina.

Wykrycie promieni gamma w koincydencji z neutrinami fascynuje naukowców, gdyż ich powstanie musi być związane z przyspieszaniem cząstek promieni kosmicznych. Pochodzenie promieni kosmicznych stanowiło zagadkę dla naukowców od ponad 100 lat, to znaczy od momentu ich odkrycia.  Obserwacja promieniowania gamma i neutrin z blazara wskazuje, że w tego rodzaju obiektach zachodzi produkcja promieni kosmicznych. Mamy więc pierwszy bezpośredni dowód na istnienie kosmicznego akceleratora protonów. Ponadto jest to kolejny sukces nowo rozwijającej się astronomii wieloaspektowej, w której łączone są obserwacje nie tylko w różnych zakresach widma elektromagnetycznego, ale także różne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, neutrina, promienie kosmiczne czy fale grawitacyjne.

Artykuł w którym przedstawione są wyniki obserwacji „Multimessenger Observations of a flaring blazar coincident with high energy neutrino IceCube-170922A” został opublikowany w magazynie Science 13 lipca br. Współautorem tej pracy jest prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW.