Najpotężniejsza „cząstka-duch” w historii. Czy blazary są jej źródłem?

W lutym 2023 roku, głęboko pod powierzchnią Morza Śródziemnego, detektory teleskopu KM3NeT zarejestrowały coś, czego jeszcze nie widziały. Pojedynczy mion – produkt rozpadu neutrina – niósł energię 220 milionów miliardów elektronowoltów. Trzydzieści razy więcej niż poprzedni rekordzista. Skąd przybyła ta „cząstka-duch”? I co mówi nam o najbardziej ekstremalnych zjawiskach we wszechświecie?

Neutrino, które zmienia reguły gry

→ Czytaj też: Wszechświat miał 670 mln lat. Znaleźli tam coś, co według fizyki nie istnieje

Neutrina nazywa się „cząstkami-duchami” nie bez powodu. Nie mają ładunku elektrycznego, ich masa jest praktycznie zerowa – przenikają przez materię niemal bez śladu. Gdy czytasz to zdanie, około 100 bilionów neutrin przechodzi przez twoje ciało z prędkością bliską prędkości światła. Zwykle nie zostawiają żadnego śladu. To czyni ich detekcję niezwykle trudną.

Jednak neutrina o takiej energii jak to wykryte 13 lutego 2023 roku są wyjątkiem. Niosło ono 220 milionów miliardów elektronowoltów (220 PeV) – to 30 tysięcy razy więcej niż maksymalna energia, jaką może osiągnąć Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Jak tłumaczy zespół KM3NeT, aby LHC mógł rozpędzić cząstkę do takiej energii, musiałby mieć długość… 40 tysięcy kilometrów – obwodu całej Ziemi.

Detekcja odbyła się w teleskopie KM3NeT, zanurzonym na głębokości 3450 metrów w pobliżu Sycylii. Naukowcy zarejestrowali pojedynczy mion – subatomową cząstkę, która powstała, gdy neutrino zderzyło się z cząsteczką wody. To wystarczyło, by uruchomić lawinę pytań.

Śledztwo w sprawie pochodzenia – dlaczego nie supernowa?

→ Czytaj też: Wszechświat miał 770 mln lat, a one już tam były. Jak te czarne dziury to zrobiły?

Zespół badawczy, którym kierowała Meriem Bendahman z KM3NeT, rozpoczął kosmiczne śledztwo. Sprawdzili, czy z tego samego kierunku, z którego przyszło neutrino, docierały do nas fale radiowe, optyczne, rentgenowskie lub gamma. Odpowiedź brzmiała: nie. Gdyby źródłem była pojedyncza, gwałtowna eksplozja – jak supernowa czy rozbłysk gwiazdowy – taki sygnał powinien być widoczny. „To nie wyklucza całkowicie możliwości punktowego źródła, ale prowadzi nas do rozważenia, że nasze neutrino może pochodzić z rozproszonego tła – czyli strumienia neutrinos pochodzącego z wielu źródeł” – mówi Bendahman.

W grę wchodziły zatem źródła rozproszone, ale niezwykle wydajne. Tu pojawia się hipoteza blazarów.

Blazary – kosmiczne akceleratory na celowniku

Blazary to szczególny rodzaj kwazarów – jąder aktywnych galaktyk, w których supermasywna czarna dziura pochłania materię, wyrzucając w przestrzeń potężne dżety plazmy. Różnica między blazarem a zwykłym kwazarem jest kwestią orientacji: dżet blazara jest skierowany dokładnie w stronę Ziemi. Dzięki temu stają się idealnymi kandydatami do roli „fabryk” cząstek o ekstremalnych energiach.

Bendahman i jej zespół opracowali model populacji blazarów, uwzględniający ich rzeczywiste właściwości – natężenie pola magnetycznego, zakres emitowanego promieniowania oraz parametry takie jak „baryonic loading” (stosunek energii niesionej przez protony do energii elektronów). Model musiał spełnić dwa warunki: wyjaśnić brak detekcji podobnie energetycznych neutrin przez inne teleskopy (jak IceCube na Antarktydzie) oraz nie przekroczyć tła promieniowania gamma mierzonego przez teleskop Fermi. „Wymodelowaliśmy realistyczną populację blazarów z fizycznie umotywowanymi parametrami i odkryliśmy, że ta populacja może wyjaśnić pochodzenie tego ultra-wysokoenergetycznego zdarzenia” – podkreśla Bendahman.

„Jeśli okaże się, że pochodzi z kosmicznych akceleratorów, takich jak blazary, da nam to nowy wgląd w to, jak obiekty te mogą emitować cząstki o energiach wykraczających poza to, czego wcześniej oczekiwaliśmy.” – Meriem Bendahman

Co dalej? Potrzeba więcej danych

Mimo że model jest obiecujący, badacze nie zamykają sprawy. „Potrzebujemy więcej obserwacji” – zaznacza Bendahman. Teleskop KM3NeT jest wciąż rozbudowywany, a jego pełna czułość może ujawnić kolejne takie zdarzenia. Jeśli okaże się, że blazary rzeczywiście produkują neutrina o energiach rzędu 220 PeV, będziemy musieli zrewidować nasze rozumienie procesów zachodzących w pobliżu supermasywnych czarnych dziur. Być może te kosmiczne potwory są jeszcze bardziej wydajnymi akceleratorami, niż kiedykolwiek przypuszczaliśmy. Jedno jest pewne – „cząstka-duch” z głębin Morza Śródziemnego otwiera nowy rozdział w astronomii neutrinowej.