In questa rappresentazione artistica, un blazar sta accelerando i protoni che producono pioni, che producono neutrini e raggi gamma. I neutrini sono sempre il risultato di una reazione adronica come quella mostrata qui. I raggi gamma possono essere prodotti in entrambe le interazioni adroniche ed elettromagnetiche. (ICECUBE / NASA)

Un primo cosmico: trovati neutrini ad altissima energia, da galassie ardenti in tutto l'universo

Nel 1987, abbiamo rilevato neutrini da un'altra galassia in una supernova. Dopo un'attesa di 30 anni, abbiamo trovato qualcosa di ancora meglio.

Uno dei grandi misteri della scienza è determinare non solo ciò che è là fuori, ma ciò che crea i segnali che rileviamo qui sulla Terra. Da oltre un secolo sappiamo che sfrecciare attraverso l'Universo sono raggi cosmici: particelle ad alta energia provenienti da molto al di là della nostra galassia. Mentre sono state identificate alcune fonti per queste particelle, la stragrande maggioranza di esse, comprese quelle più energiche, rimangono un mistero.

Ad oggi, tutto ciò è cambiato. La collaborazione IceCube, il 22 settembre 2017, ha rilevato un neutrino ad altissima energia che è arrivato al Polo Sud ed è stato in grado di identificarne la fonte. Quando una serie di telescopi a raggi gamma guardarono quella stessa posizione, non solo videro un segnale, ma identificarono un blazar, che in quel momento si stava accendendo. Alla fine, l'umanità ha scoperto almeno una fonte che crea queste particelle cosmiche ultra-energetiche.

Quando i buchi neri si nutrono di materia, creano un disco di accrescimento e un getto bipolare perpendicolare ad esso. Quando un getto da un buco nero supermassiccio ci punta, lo chiamiamo un oggetto BL Lacertae o un blazar. Oggi si pensa che questa sia una delle maggiori fonti sia di raggi cosmici che di neutrini ad alta energia. (NASA / JPL)

L'universo, ovunque guardiamo, è pieno di cose da guardare e con cui interagire. La materia si raggruppa in galassie, stelle, pianeti e persino persone. Le radiazioni fluiscono attraverso l'Universo, coprendo l'intero spettro elettromagnetico. E in ogni centimetro cubo di spazio, si possono trovare centinaia di particelle spettrali e di piccole dimensioni note come neutrini.

Almeno, potrebbero essere trovati, se interagissero con una frequenza apprezzabile con la materia normale che sappiamo manipolare. Invece, un neutrino dovrebbe passare attraverso un anno leggero di piombo per avere un colpo 50/50 di scontrarsi con una particella lì dentro. Per decenni dopo la sua proposta nel 1930, non siamo stati in grado di rilevare il neutrino.

Reattore nucleare sperimentale RA-6 (Republica Argentina 6), in Marcha, che mostra la caratteristica radiazione di Cherenkov dalle particelle più veloci della luce nell'acqua emesse. I neutrini (o più precisamente, antineutrini) ipotizzati per la prima volta da Pauli nel 1930 furono rilevati da un analogo reattore nucleare nel 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Nel 1956, li abbiamo rilevati per la prima volta installando rilevatori proprio fuori dai reattori nucleari, a pochi metri da dove vengono prodotti i neutrini. Negli anni '60, abbiamo costruito rilevatori abbastanza grandi - sotterranei, schermati da altre particelle contaminanti - per trovare i neutrini prodotti dal Sole e dalle collisioni di raggi cosmici con l'atmosfera.

Poi, nel 1987, è stata solo la serendipità a regalarci una supernova così vicina a casa da poter rilevare da essa i neutrini. Esperimenti condotti per scopi completamente indipendenti hanno rilevato i neutrini di SN 1987A, inaugurando l'era dell'astronomia multi-messenger. I neutrini, per quanto ne sappiamo, viaggiarono attraverso l'Universo a energie indistinguibili dalla velocità della luce.

Il residuo della supernova 1987a, situato nella Grande Nube di Magellano a circa 165.000 anni luce di distanza. Il fatto che i neutrini arrivassero ore prima che il primo segnale luminoso ci insegnasse di più sulla durata della propagazione della luce attraverso gli strati della stella di una supernova di quanto non facesse sulla velocità a cui viaggiano i neutrini, che era indistinguibile dalla velocità della luce. I neutrini, la luce e la gravità sembrano viaggiare tutti alla stessa velocità ora. (NOEL CARBONI E IL LIBERATORE DI FOTOSHOP ESA / ESO / NASA)

Per circa 30 anni, i neutrini di quella supernova furono gli unici neutrini che avessimo mai confermato di essere al di fuori del nostro Sistema Solare, e tanto meno della nostra galassia domestica. Ma ciò non significa che non stavamo ricevendo neutrini più distanti; significava semplicemente che non potevamo identificarli saldamente con alcuna fonte nota nel cielo. Sebbene i neutrini interagiscano solo molto debolmente con la materia, hanno maggiori probabilità di interagire se hanno più energia.

È qui che entra in gioco l'osservatorio del neutrino IceCube.

L'osservatorio IceCube, il primo osservatorio di neutrini nel suo genere, è progettato per osservare queste particelle sfuggenti e ad alta energia da sotto il ghiaccio antartico. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Nel profondo del ghiaccio del Polo Sud, IceCube racchiude un chilometro cubo di materiale solido, alla ricerca di questi neutrini quasi senza massa. Quando i neutrini passano attraverso la Terra, c'è una possibilità di avere un'interazione con una particella lì dentro. Un'interazione porterà a una pioggia di particelle, che dovrebbe lasciare inconfondibili firme nel rivelatore.

In questa illustrazione, un neutrino ha interagito con una molecola di ghiaccio, producendo una particella secondaria - un muone - che si muove a velocità relativistica nel ghiaccio, lasciando dietro di sé una traccia di luce blu. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Nei sei anni in cui IceCube ha funzionato, hanno rilevato più di 80 neutrini cosmici ad alta energia con energie superiori a 100 TeV: oltre dieci volte le più alte energie raggiunte da qualsiasi particella dell'LHC. Alcuni di loro hanno addirittura crestato la scala PeV, ottenendo energie migliaia di volte maggiori di quelle necessarie per creare anche le particelle fondamentali più pesanti conosciute.

Eppure, nonostante tutti questi neutrini di origine cosmica che sono arrivati ​​sulla Terra, non li abbiamo mai abbinati con una fonte nel cielo che offre una posizione definitiva. Rilevare questi neutrini è un'impresa tremenda, ma a meno che non possiamo correlarli con un oggetto reale osservato nell'Universo - per esempio, che è anche osservabile in qualche forma di luce elettromagnetica - non abbiamo idea di cosa li crei.

Quando un neutrino interagisce nel ghiaccio antartico chiaro, produce particelle secondarie che lasciano una traccia di luce blu mentre viaggiano attraverso il rilevatore IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

I teorici non hanno avuto problemi a trovare idee, tra cui:

  • ipernovae, la più superluminosa di tutte le supernovae,
  • lampi di raggi gamma,
  • buchi neri svasati,
  • o quasar, i più grandi buchi neri attivi nell'Universo.

Ma occorrerebbero prove per decidere.

Un esempio di evento neutrino ad alta energia rilevato da IceCube: un neutrino 4,45 PeV che colpisce il rivelatore nel 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube ha monitorato ed emesso rilasci con tutti i neutrini ad altissima energia che hanno trovato. Il 22 settembre 2017 è stato visto un altro evento simile: IceCube-170922A. Nel rilascio uscito, hanno dichiarato quanto segue:

Il 22 settembre 2017 IceCube ha rilevato un evento simile a una pista, ad alta energia, con un'alta probabilità di essere di origine astrofisica. L'evento è stato identificato dalla selezione dell'evento della traccia Extremely High Energy (EHE). Il rilevatore IceCube era in uno stato operativo normale. Gli eventi EHE hanno in genere un vertice di interazione dei neutrini all'esterno del rivelatore, producono un muone che attraversa il volume del rivelatore e hanno un livello di luce elevato (un proxy per l'energia).
I raggi cosmici inondano le particelle colpendo protoni e atomi nell'atmosfera, ma emettono anche luce a causa della radiazione di Cherenkov. Osservando sia i raggi cosmici dal cielo che i neutrini che colpiscono la Terra, possiamo usare le coincidenze per scoprire le origini di entrambi. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Questo sforzo è interessante non solo per i neutrini, ma per i raggi cosmici in generale. Nonostante abbiamo visto milioni di raggi cosmici di alte energie per più di un secolo, non capiamo da dove provenga la maggior parte di essi. Questo è vero per protoni, nuclei e neutrini creati sia alla fonte che attraverso cascate / docce nell'atmosfera.

Ecco perché è affascinante che, insieme all'allerta, IceCube abbia anche fornito le coordinate per dove questo neutrino avrebbe dovuto originarsi nel cielo, nella seguente posizione:

  • RA: 77,43 gradi (-0,80 gradi / + 1,30 gradi 90% di contenimento PSF) J2000
  • Dec: 5,72 gradi (-0,40 gradi / + 0,70 gradi 90% di contenimento PSF) J2000

E questo ha portato gli osservatori, tentando di eseguire osservazioni di follow-up attraverso lo spettro elettromagnetico, verso questo oggetto.

Impressione dell'artista del nucleo galattico attivo. Il buco nero supermassiccio al centro del disco di accrescimento invia uno stretto getto di materia ad alta energia nello spazio, perpendicolare al disco. Un blazar a circa 4 miliardi di anni luce di distanza è l'origine di questi raggi cosmici e neutrini. (DESY, LABORATORIO DI COMUNICAZIONE DELLA SCIENZA)

Questo è un blazar: un buco nero supermassiccio che è attualmente nello stato attivo, si nutre di materia e la accelera a velocità incredibili. I blazer sono proprio come i quasar, ma con un'importante differenza. Mentre i quasar possono essere orientati in qualsiasi direzione, un blazar avrà sempre uno dei suoi getti puntato direttamente sulla Terra. Si chiamano blasoni perché "ardono" proprio contro di te.

Questo particolare blazar è noto come TXS 0506 + 056 e quando una serie di osservatori, tra cui l'osservatorio Fermi della NASA e il telescopio MAGIC a terra nelle Isole Canarie, hanno rilevato immediatamente raggi gamma da esso.

Circa 20 osservatori sulla Terra e nello spazio hanno fatto osservazioni di follow-up sul luogo in cui IceCube ha osservato il neutrino dello scorso settembre, che ha permesso di identificare ciò che gli scienziati ritengono essere una fonte di neutrini ad altissima energia e, quindi, di raggi cosmici. Oltre ai neutrini, le osservazioni fatte attraverso lo spettro elettromagnetico includevano raggi gamma, raggi X e radiazioni ottiche e radio. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Non solo, ma quando arrivarono i neutrini, si scoprì che il blazar era in uno stato divampante, corrispondente ai deflussi più attivi che un tale oggetto sperimenta. Dal momento in cui i deflussi raggiungono il picco e il riflusso, i ricercatori affiliati a IceCube hanno superato un decennio di record prima del bagliore del 22 settembre 2017 e hanno cercato eventuali eventi di neutrino che avrebbero avuto origine dalla posizione di TXS 0506 + 056.

La scoperta immediata? I neutrini sono arrivati ​​da questo oggetto in più raffiche, che durano molti anni. Combinando le osservazioni dei neutrini con quelle elettromagnetiche, siamo stati in grado di stabilire con fermezza che i neutrini ad alta energia sono prodotti dai blazer e che abbiamo la capacità di rilevarli, anche da una distanza così grande. TXS 0506 + 056, se fossi curioso, si trova a circa 4 miliardi di anni luce di distanza.

Blazar TXS 0506 + 056 è la prima fonte identificata di neutrini e raggi cosmici ad alta energia. Questa illustrazione, basata su un'immagine di Orione della NASA, mostra la posizione del blazar, situato nel cielo notturno appena fuori dalla spalla sinistra della costellazione di Orione. La fonte è a circa 4 miliardi di anni luce dalla Terra. (ICECUBE / NASA / NSF)

Una quantità enorme può essere appresa proprio da questa osservazione multi-messenger.

  • I blazar hanno dimostrato di essere almeno una fonte di raggi cosmici.
  • Per produrre neutrini, hai bisogno di pioni in decomposizione e questi sono prodotti da protoni accelerati.
  • Ciò fornisce la prima prova definitiva dell'accelerazione del protone da parte dei buchi neri.
  • Ciò dimostra anche che il blazar TXS 0506 + 056 è una delle fonti più luminose dell'Universo.
  • Infine, dai raggi gamma associati, possiamo essere certi che i neutrini cosmici e i raggi cosmici, almeno a volte, hanno un'origine comune.
I raggi cosmici prodotti da fonti astrofisiche ad alta energia possono raggiungere la superficie terrestre. Quando un raggio cosmico si scontra con una particella nell'atmosfera terrestre, produce una pioggia di particelle che possiamo rilevare con le matrici sul terreno. Alla fine, ne abbiamo scoperto una fonte importante. (COLLABORAZIONE ASPERA / ERANET ASTROPARTICLE)

Secondo Frances Halzen, principale investigatrice dell'osservatorio dei neutrini IceCube,

È interessante notare che c'era un consenso generale nella comunità astrofisica secondo cui era improbabile che i blasoni fossero fonti di raggi cosmici, ed eccoci qui ... La capacità di marcare i telescopi a livello globale per fare una scoperta usando una varietà di lunghezze d'onda e accoppiato con un rivelatore di neutrini come IceCube segna una pietra miliare in quella che gli scienziati chiamano "astronomia multi-messenger".

L'era dell'astronomia multi-messenger è ufficialmente qui, e ora abbiamo tre modi completamente indipendenti e complementari di guardare il cielo: con la luce, con i neutrini e con le onde gravitazionali. Abbiamo imparato che i blasoni, una volta considerati un candidato improbabile per la generazione di neutrini e raggi cosmici ad alta energia, in realtà creano entrambi.

Questa è l'impressione di un artista di un lontano quasar 3C 279. I getti bipolari sono una caratteristica comune, ma è estremamente raro che un tale getto sia puntato direttamente verso di noi. Quando ciò accade, abbiamo un Blazar, ora confermato come fonte di raggi cosmici ad alta energia e di neutrini ad altissima energia che vediamo da anni. (ESO / M. KORNMESSER)

Un nuovo campo scientifico, quello dell'astronomia dei neutrini ad alta energia, si lancia ufficialmente con questa scoperta. I neutrini non sono più un sottoprodotto di altre interazioni, né una curiosità cosmica che si estende a malapena oltre il nostro Sistema Solare. Invece, possiamo usarli come una sonda fondamentale dell'Universo e delle leggi fondamentali della fisica stessa. Uno dei principali obiettivi nella costruzione di IceCube era identificare le fonti di neutrini cosmici ad alta energia. Con l'identificazione del blazar TXS 0506 + 056 come fonte sia per questi neutrini che per i raggi gamma, questo è un sogno cosmico che è stato finalmente realizzato.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.