Csillagvizsgáló

Egy apró részecske nagy utazása

2018. július 19. - PFreddy

A hét folyamán újabb nagy csillagászati áttörésről szóló sajtókonferenciát tartottak az USA-ban, ezúttal azonban nem a NASA, hanem az NSF (National Science Foundation) volt az illetékes. A bejelentés középpontjában az Antarktiszon található IceCube detektorhálózat által talált neutrínók álltak – épp akkor és abból az irányból érkeztek, amikor és ahonnan a Fermi űrtávcső is nagy energiájú gamma-fotonokat észlelt. A forrás egy távoli galaxis központi fekete lyuka, amely kozmikus részecskegyorsítóként szórja az elképesztően nagy energiával bíró részecskéket. Hasonló forrásra már régóta vadásztak az asztro-részecskefizikusok. Ami pedig még a felfedezés tényénél is fontosabb, az a sokat emlegetett többcsatornás csillagászat újabb példája.

nevtelen_9.pngA bejelentést kísérő hatásos, ám de természetesen erősen feljavított sajtófotó: az Antarktisz jegén trónoló IceCube központi épülete, felül (az egyébként természetesen nem látszó) a távoli fekete lyukból származó jet fantáziarajza, alul pedig a jég alatt megbúvó detektorok láncolata. (Forrás: IceCube/NSF)

A neutrínók az elektronoknál is jóval kisebb részecskék, melyek közel fénysebességgel szelik keresztül a világűrt – és úgy egyébként minden mást is. Olyan kis mértékben hatnak kölcsön az atomokkal, hogy fényév (!!!) vastag ólomlemezre lenne szükség ahhoz, hogy biztosan felfogjuk egy neutrínó-zápor felét. Szerencsére a neutrínó-források igen bőségen szórják ezeket a részecskéket (rajtunk is minden másodpercben 1.000.000.000.000.000 neutrínó halad keresztül!) a kihívás azonban így is hatalmas. A világon mindössze néhány neutrínó-detektor működik; egy közülük az Antarktisz jegébe épített IceCube berendezés.

maxresdefault_4.jpgAz IceCube vázlatos rajza és főbb paraméterei. (Forrás: IceCube/NSF)

Az IceCube maga 1 köbkilométer (!!!) krisztálytiszta jeget ölel át a felszín alatt, amelybe 86 ponton fúrtak 2,5 km mély csatornákat. A lyukakba detektorok láncolatát eresztették, majd vízzel töltötték fel azokat, hogy újra befagyjanak. A neutrínókat közvetlenül gyakorlatilag lehetetlen elcsípni, még akkor is, ha tömegesen érik a detektort. Az 1 km3 jég 3∙1037 (a hármas után 37 db nulla) darab vízmolekulájában azonban olykor fennakad néhány, amelyek az atommagokkal való ütközések során müonokat keltenek, ezeket pedig már könnyen észreveszik a jégbe lógatott több, mint ötezer detektorral.

ca_0713nid_icecube_lab_online.jpgAmi az egészből látszik: az IceCube központi épülete. (Forrás: IceCube/NSF)

Külső szemlélő számára igencsak komplikáltnak és közvetettnek tűnhet a módszer, de egyelőre nincs jobb megoldás. Ráadásul szó szerint csak néhány neutrínót tudunk elcsípni a záporukból – jó példa erre a modern csillagászat legközelebbi szupernóvája, a 170000 fényév távolságban felrobbant SN 1987A. A Japánban található Super-Kamiokande neutrínó-obszervatórium (hasonló az IceCube-hoz, csak itt egy óriási tartályt monitoroznak, benne 3000 köbméter  vízzel) a robbanást követően mindössze tizenkét eseményt észlelt. Mindössze tizenkét neutrínót (saját nevük is volt) egy viszonylag közeli robbanás folyamán – miközben a mondat végig olvasása közben is 1016 db neutrínó éri az olvasót!

nu87a.pngAz SN 1987A robbanását követően detektált neutrínók. Mind az IMB, mind a Kamiokande II detektorok által észlelt neutrínók egy nagyjából tizenkét másodperces intervallumban érték el a Földet. (Forrás: Fargion et al. 2011)

Ebből is következik, hogy szignifikáns mennyiségű neutrínót és egyértelmű detektálást csak legközelebbi vagy a legenergikusabb források esetében várhatunk. Eddig mindössze két ilyen volt: a Napunk és a már emlegetett SN 1987A szupernóva. Ezeken kívül a néha-napján felbukkanó kóbor (vagyis az Univerzum minden szegletéből érkező) neutrínók szoktak horogra akadni, tipikusan évi 10-20 db. Tavaly szeptember 22-én is csak egy riasztás volt az IceCube rendszerében, az viszont nem akármilyen. Míg a Napból érkező szoláris neutrínók energiája 0,1 és 10 MeV közötti, addig az IceCube-170922A névre keresztelt részecske közel 300 millió MeV-os (avagy 300 TeV-os) energiával rendelkezett – ez a valaha talált legenergikusabb neutrínó.

icecube-neutrino2.jpgEnnyit láttak a kutatók a IceCube-170922A neutrínóból. A színes gömbök a vízmolekulával ütköző neutrínó által keltett müon által keltett fény intenzitását mutatják a detektorok láncolatában. (Forrás: IceCube/NSF)

Különlegesen nagy energiájú neutrínókat csak különlegesen nagy energiájú ’’nagyobb’’ részecskék tudnak kelteni – például protonok. Tipikusan ezen nagy energiájú protonok alkotják az ún. kozmikus sugárzást, azt az űrbéli részecskezáport, ami közvetve a földi légkör vezetőképességét is okozza. A részecskefizikusok már évtizedek óta keresik ezek forrásait, a kozmikus részecskegyorsítókat, amelyekhez képest az emberiség csúcstechnológiája, a CERN Nagy Hadronütköztetője is játékszernek tűnik. Az összehasonlítás kedvéért: utóbbi 7∙1012 eV-os protonokat produkál, míg a kozmikus sugárzásban találtak már néhány 1021 eV-os protont is – ez nyolc nagyságrend különbség! Habár megfigyelés tekintetében csak igen közvetett eredményeink vannak, elméleti síkon jó néhány biztos befutó van a kozmikus részecskegyorsítók szerepére: óriáscsillagok szele, szupernóva-robbanások vagy éppen az óriásgalaxisok közepén lévő feketelyukak. Az IceCube-170922A neutrínó pedig pontosan egy ilyen szupermasszív fekete lyukra mutatott.

lhc_long_1.jpgA CERN Nagy Hadronütköztetője (LHC), amely szupravezető mágnesekkel egy 27 km-es körben gyorsítja, majd ütközteti a protonokat. (Forrás: CERN)

A neutrínóknak nincsen töltése, így nem hatnak rájuk a galaxisok mágneses mezeje, valamint elképesztően kicsik, ezért gyakorlatilag nem hatnak kölcsön semmivel a világűr (közel) vákuumában. Így az észlelt neutrínó nyílegyenesen érkezett a forrásától, az IceCube kutatói pedig némi (1 négyzetfokos, az azért nem rossz) pontatlansággal ugyan, de ki tudták számítani a beérkezési irányát. A rendszer mindössze egy percen belül riadóztatta a partner-obszervatóriumokat, amelyek a megadott koordinátákon a TXS 0506+056 blazárt találták. Egy 3,7 milliárd fényév távolságra lévő óriási fekete lyukat, amely a ráhulló anyag egy részét jet-szerűen lövelli ki magából – pontosan a mi irányunkba.

175045_1.jpgFantáziarajz egy blazárról. A központi fekete lyukat (apró fekete pötty középen) óriási gázfelhő veszi körbe úszógumi szerűen, melynek anyaga lassan a fekte lyukba spirálozódik. Az erős mágneses tér a plazma egy részét egy keskeny sugárban lövelli ki. Ez a jet, benne elképesztő sebességű protonokkal. (Forrás: DESY, Science Communication Lab)

A forrás megtalálásban kiemelkedő szerepe volt a nagy energiájú (és extrém rövid hullámhosszú) gamma-fotonoknak, valamint az azokat detektáló berendezéseknek, a Kanári-szigeteki MAGIC teleszkópoknak és a Fermi űrtávcsőnek. Elsősorban utóbbi egész égboltra kiterjedő felméréseinek köszönhetően a TXS 0506+056 blazár már korábban is ismert volt a kutatók előtt. Egyike annak a maréknyi gamma-forrásnak, amely, akárcsak szeptember végén, úgy az elmúlt években többször is gamma-kitöréseket mutatott.

tumblr_inline_p20153maun1tzhl5u_540.gifA TXS 0506+056 blazárból érkező és a Fermi űrtávcső által szeptember végén megfigyelt gamma-fotonok vizualizációja; a buborékok mérete a fotonok energiájával arányos. (Forrás: NASA/DOE/Fermi LAT Collab)

Az IceCube munkatársai szintén a sok éves adat-archívumuk mélyére ástak és kiderült, hogy nem ez volt az első neutrínó, amelynek a blazár a forrása. 2014 végén több (ám a szeptember 22-nél kisebb energiájú) neutrínót is detektáltak, amelyek az elemzések szerint szintén a TXS 0506+056 irányából érkeztek – pont akkor, amikor a Fermi is gamma-kitöréseket észlelt. Ezt pedig semmiképp sem lehet véletlen egybeeséssel magyarázni, csak a már korábban is feltételezett elméleti modellel. A TXS 0506+056 tehát rendszeresen nagy energiájú plazmanyalábot, lő a Föld irányába (ez a jet), amelynek protonjai ütközések útján egy sor részecske (pozitronok, pionok, müonok stb.) mellett gamma-fotonokat és neutrínókat is keltenek. Míg a töltéssel rendelkező részecskék az ütközések és a rájuk ható mágneses mezők hatására szanaszét szóródnak, a neutrínók egyenesen a jet irányában haladnak – egy közülük pedig fennakadt az Antarktisz jegében.

180712-blazar-630x354.jpgA blazár jet-je által gyorsított proton (p) számos részecskét kelt, de csak a neutrínók (ν) és a fotonok (γ) nem térülnek el jelentősen. (Forrás: IceCube/NSF/NASA)

A felfedezés jelentőségét nem csak az adja, hogy az első extragalaktikus részecskegyorsítót és mindössze a harmadik neutrínó-forrást sikerült kimutatni. A tavalyi neutroncsillag-összeolvadás és az azt megelőző gravitációs hullám kimutatása után újra ékes példáját láttuk az ún. többcsatornás csillagászatnak. Így nevezik, amikor az elektromágneses tartományban (a különböző hullámhosszúságú fény; a fenti esetben gamma-fotonok) végzett méréseket kiegészítik az új megfigyelési technikák, így pl. a gravitációs hullámok vagy a neutrínók detektálása. Az együttes eredmények jóval több információval és a csillagászat új korszakával kecsegtetnek – ez pedig immáron realitás.

4messpuzzle_color.jpgA kirakós darabkái. Míg évszázadokig csak az elektromágneses spektrum (annak is főként a látható tartománya) volt az információforrásunk, mostanra már több megfigyelési módszerre is hagyatkozhatunk.

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr9314121839

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2018.07.22. 17:30:33

Megmérni a mérhetetlent. :-)

Amit kérdezni szeretnék. Ez a kitörés milyen hosszú ideig tartott? A 4. ábra (ami nem ezt, hanem korábbi méréseket mutatott) alapján arra tippelek hogy nem volt hosszú. És ha jó a tippem, akkor hogyan lehetett ilyen gyors esemény kapcsán a többcsatornás riasztást lebonyolítani?

PFreddy 2018.07.22. 18:01:38

@rdos: Az SN 1987A-nál kicsit más volt a szituáció. Ez egy klasszikus szupernüva, egy ún. II-es típusú, amelynél egy nagy tömegű csillag robbant fel - tehát nem egy fekete lyuk újra és újra kitörő jet-je.
Amikor (természetesen földi időben mérve) a szupernóva felrobbant, a neutrínók voltak az első jelek arra, hogy "valami" történik. Ez azért lehetett így, mert bár a neutrínók egy hajszállal lassabbak, mint a fény, viszont áthatolnak mindenen. A fény csak az ún. shock-breakout (amikor a robbanás lökéshulláma eléri a felszínt) után indult útjára és csak aezután kezdett el felfényesedni a szupernóva.
Egy szupernóva néhány hét alatt fényesedik fel a maximumig, majd után lassú elhalványodás veszi kezdetét, de még néhány száz nappal később is észlelhető a látható tartományban. Magyarán csak a neutrínó emisszió volt rövid, maga a megfigyelési ablak igen hosszú.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2018.08.04. 21:21:57

Boccs hogy csak most mondom. Köszönöm a gyors választ.