Egy csillagászokból és részecskefizikusokból álló nemzetközi kutatócsoport Kun Emma, az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) munkatársa vezetésével az Antarktisz jegében detektált kozmikus neutrínók vizsgálatával jutott közelebb a neutrínócsillagászat több évtizede megoldatlan kérdésének a megválaszolásához. Az eredményekről a rangos The Astrophysical Journal Letters folyóiratban számoltak be.

Több mint száz évvel a kozmikus sugarak felfedezése után azok eredete még mindig rejtély a csillagászat számára. A kozmikus sugárzást alkotó részecskék a világegyetem nagy energiájú folyamataiban keletkeznek, viszont tipikus égi forrásaik még nem ismertek. Az igazán hatékony gyorsítóközegek – mint például az aktív galaxismagok relativisztikus részecskenyalábjai –, képesek ultra nagy energiákra gyorsítani a kozmikus sugárzás részecskéit, amelyek kölcsönhatnak a forrásaik körüli anyaggal és sugárzási térrel, nagy energiájú neutrínókat és gamma-sugárzást is keltve. Ezek együtt pedig, ideális esetben, a kozmikus sugarak, a gamma-fotonok és a neutrínók detektálásán keresztül három különböző megfigyelési lehetőséget biztosítanak a csillagászok számára.

A neutrínók kölcsönhatásokra való nagyon alacsony hajlandósága, illetve semleges elektromos töltése lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy kozmikus neutrínókat észleljenek a Világegyetemnek a kozmikus sugarak és a fotonok számára áthatolhatatlan régióiból is. Emiatt a kozmikus neutrínók megfigyelése, és a hozzájuk kapcsolódó asztrofizika megértése rendkívül fontos szerepet tölt be a kozmikus sugarak több évtizedes rejtélyének a feloldásában.

Az elmúlt évek egyik nagy szenzációját jelentette, amikor 2013-ban először észlelték a TeV–PeV (terra elektronvolt – peta elektronvolt) energiájú, minden bizonnyal extragalaktikus eredetű neutrínókat az IceCube Neutrínó Detektorral. A Déli-sarkon működő IceCube a világűrből érkező neutrínók és az antarktiszi jég kölcsönhatásában létrejött másodlagos részecskék Cserenkov-sugárzását méri, több száz millió légköri eredetű részecske mellett. Ehhez az antarktiszi jég 1450–2450 méteres mélység közötti egy köbkilométernyi térfogatát használja detektoranyagként.

Az IceCube, valamint más földi és világűrbe telepített obszervatóriumok szimultán megfigyelései alapján 2018-ban jelentették be csillagászok, hogy elsőként sikerült bizonyítható módon egy neutrínót egy égi forráshoz – a TXS 0506+056 jelű blazárhoz – kapcsolni. A blazár olyan aktív galaxismag, amelynek központi fekete lyuka nagy mennyiségű anyagot nyel el, és az eközben kialakuló egyik részecskenyalábja éppen a Föld felé irányul. A 2017. szeptember 22-én detektált neutrínó-eseményt az akkoriban gamma-flert (hirtelen kitörést) mutató TXS 0506+056 irányából érkező müon-neutrínó váltotta ki.

Éppen ezért az IceCube együttműködés keretében a kutatók újraelemezték a korábbi évek adatait, amelynek eredményeként egy igen erős neutrínókitörést fedeztek fel: 2014 szeptembere és 2015 márciusa között kb. 13±5 kozmikus neutrínóról lehetett feltételezni azt, hogy a TXS 0506+056 irányából érkezett (míg 2017-ben csupán egyről). Korábban ezeket azért nem találták meg, mert a forrás gamma-aktivitása alacsony volt, így a statisztikai vizsgálatok kiszórták e jeleket a keresésből.

Eközben további kutatások során az is kiderült, hogy az IceCube által detektált diffúz neutrínóhátteret létrehozó folyamatokban több gamma-foton keletkezésére van szükség annál, mint amit a Fermi gamma-űrtávcső által mért extragalaktikus eredetű gamma-sugárzási háttér magyarázni képes. Mindez arra mutat, hogy valami nincs rendben azokkal az eddigi neutrínóforrás-kereső stratégiákkal, amelyek a gamma-flerek alapján próbálták megtalálni a kozmikus neutrínóforrásokat. Emellett a kutatók szerint a klasszikus blazármodellek is kiegészítésre szorulnak.

A CSFK posztdoktor kutatója, a csillagász Kun Emma által vezetett nemzetközi kutatócsoport most észlelési bizonyítékot talált a szóban forgó probléma feloldására. Vizsgálódásuk középpontjában az eddigi legnagyobb energiájú riasztást kiváltó, IC-190730A jelű neutrínó-esemény, illetve az ennek irányában látszó PKS 1502+106 jelű blazár állt. Többcsatornás vizsgálataikhoz számos korszerű műszer, így az antarktiszi IceCube Neutrínó Detektor, a Fermi gamma-űrtávcső, a Swift röntgen-űrtávcső és az Owens Valley 40 m-es rádióteleszkóp megfigyeléseit használták fel.

A forrás Fermi gamma-űrtávcső által szolgáltatott adatainak elemzésével a kutatók számára világossá vált, hogy a blazár irányából 2019. július 30-án érkező neutrínót egy több hónapig tartó gamma-sugárzási minimum közepén detektálta az IceCube. A Swift röntgen-űrtávcső mérései alapján a gammában való halványodás egybeesett a röntgenben való felfényesedéssel, ami a gamma-fotonok energiájának elnyelődésére, majd röntgentartományban való újrakisugárzódására utal a kutatók modellje szerint. A blazár az Owens Valley 40 méteres rádiótávcsövének 15 GHz-es frekvencián történő mérései alapján óriási, elhúzódó rádiókitörést mutat 2014 óta, amely annak egyre fokozódó nyalábaktivitását jelzi. Az összképből a kutatók arra következtetnek, hogy valami igazán energikus esemény történt a forrásban, csak a folyamatot kísérő gamma-fotonokat ők nem látták a közegben való elnyelődésük, majd alacsonyabb energiákon való újrakisugárzódásuk miatt.

A kutatócsoport az archív adatok vizsgálata során kiderítette, hogy habár mind a PKS B1424-418, mind a TXS 0506+056 jelű blazár mutatott gamma-flereket is, átmenetileg mindkettő gamma-minimumban volt az érintett neutrínók detektálásakor. Elméleti munkák alapján már sejteni lehetett, hogy azok a közegek, ahol igazán hatékonyan tudnak neutrínók keletkezni – például a sűrűbb anyagcsomók, illetve az energikus sugárzási terek a blazár magja vagy részecskenyalábja körül –, egyben „átlátszatlanok” a nagy energiájú gamma-fotonok számára. Munkájuk eredményeként most először észlelési bizonyítékok is rendelkezésre állnak erre a feltételezésre.

A Kun Emma vezette kutatás eredményének legalább két kulcsfontosságú jelentősége van. Az egyik, hogy immár észlelési bizonyítékok is erősítik azt a tézist, mely szerint a Fermi űrtávcső által látott gamma-égbolt, továbbá az IceCube által észlelt neutrínó-égbolt fényessége közötti látszólagos feszültség feloldható a gamma-fotonoknak a forrás körüli anyagban történő elnyelődésének figyelembevételével. A másik pedig, hogy a neutrínókat hatékonyan keltő közegek általi időleges gamma-elfojtás alapján a kutatók sokkal eredményesebben kereshetnek további kozmikus neutrínókat, akár az archív IceCube-adatokban is. A CSFK kutatója által irányított munka így egyszerre mozdíthatja előre az aktív galaxismagok részletesebb elméleti leírását, valamint a megfigyelési módszerek fejlődését. A kutatás folytatódik, a kutatócsoport jelenleg az időleges gamma-elfojtást mutató, neutrínóforrás-jelöltekből álló statisztikai minta bővítésén, illetve a modellek fejlesztésén dolgozik.

Kun Emma munkáját az MTA Prémium posztdoktori kutatói programja támogatja. A cikk társszerzői közül Mező György szintén a CSFK munkatársa. A Fermi-adatok feldolgozását az ELKH Cloud által biztosított szuperszámítógépes rendszer teszi lehetővé. A hat szerző közül négyen (Kun Emma, Bartos Imre, Julia Becker-Tjus, Francis Halzen) az IceCube együttműködés tagjai. Francis Halzen az IceCube Detektor megálmodója, a kollaboráció vezetője.

Az aktív galaxismagok egyik alosztályába tartozó (a részecskenyalábpárja egyik tagját a Föld felé irányító) blazár protonokat gyorsít. A főként felgyorsult protonokból álló kozmikus sugárzás gamma-fotonokat és neutrínókat hoz létre, amelyeknek egyidejű észlelése lehetővé teszi a kozmikus sugarak forrásának az azonosítását. (A kép forrása: IceCube Collaboration/NASA)

Az IceCube Neutrínó Detektor. Az obszervatórium 5576 darab, az antarktiszi jég 1 köbkilométernyi térfogatában mátrixszerűen elhelyezett szenzora a beérkező részecskék és a jég kölcsönhatásában létrejövő másodlagos részecskék Cserenkov-sugárzását méri. Az ábrán egy beérkező müon-neutrínó keltette müon Cserenkov-sugárzásának nyomát látjuk a detektorban. A szemléltetésként használt gombócok színezése a szenzorok felvillanásának idejével (a vörös korábbi, a kék későbbi), mérete pedig az adott szenzor által mért fénymennyiséggel skálázódik. (A kép forrása: IceCube Collaboration)

A kutatók egy kivágható, hajtogatható játékot készítettek a megfigyelőállomásról gyermekek számára, amely ezen a linken érhető el.

Az IceCube együttműködés egy kiterjesztett valóságon (AR: augtmented reality) alapuló oktató, illetve demonstráló applikációt is kifejlesztett IceBeAR néven. Az applikáció a mobileszközök kameraképén keresztül 3D-ben mutatja a detektor szenzormátrixát. Ahogy egy neutrínó beérkezik, a keletkezett másodlagos részecske világítani kezd, a jele pedig végigmegy a detektormátrixon – az applikáció gyakorlatilag így teszi láthatóvá a detektálás folyamatát. Az IceBeAR applikáció demóvideója ezen a linken tekinthető meg.

Publikáció:

Emma Kun, Imre Bartos, Julia Becker Tjus, Peter L. Biermann, Francis Halzen, György Mező: Cosmic Neutrinos from Temporarily Gamma-suppressed Blazars. The Astrophysical Journal Letters, 2021, 911, L18

Kapcsolódó magyar leírás: Kozmikus neutrínók égen és Földön, Fizikai Szemle, 2020. november

Kapcsolódó videó: