A neutrínók szubatomi részecskék egzotikus világában is különlegesnek számítanak. Az olyan ismertebb részecskékkel ellentétben, mint az elektronok és a protonok, a neutrínók olyanok, mint a szellemek: alig lépnek kölcsönhatásba a normál anyaggal, úgy repülhetnek át a bolygónkon, mintha az ott sem lenne. Emiatt roppant nehéz detektálni őket, és még nehezebb megállapítani, hogy honnan származnak. A Science című tudományos folyóiratban nemrégiben közzétett tanulmányban azonban arról számolnak be a szakértők, hogy sikeresen azonosították a neutrínók egy extragalaktikus forrását.
A csillagászok az NGC 1068 jelű galaxisból származó neutrínókat észleltek, amelynek középpontjában egy hatalmas és aktívan táplálkozó fekete lyuk található. A neutrínók a fekete lyuk eseményhorizontja felett keletkeztek (amelyen túlról már nincs visszaút), bár az nem világos, hogy pontosan hogyan jöttek létre – erre több mechanizmus is elképzelhető. A tudósok remélik, hogy ez a felfedezés nemcsak az NGC 1068, hanem az összes ilyen galaxis kapcsán újdonságokra deríthet fényt. Ráadásul úgy tűnik, hogy a felfedezés kapcsán sikerült azonosítaniuk annak a halvány neutrínóderengésnek a forrását is, amelyet mindenfelé látunk, ahová csak nézünk az égbolton.
Hogyan fogjunk szellemet?
A fekete lyuk felé eső anyagból először egy lapos akkréciós korong formálódik. Ebben a súrlódás hihetetlen hőmérsékletre hevíti az anyagot, amely olyan fényesen izzik, hogy az egész galaxist túlragyoghatja. Az ilyen galaxisokat aktív galaxisoknak nevezzük, és a világegyetem legfényesebb objektumai közé tartoznak.
Az NGC 1068 esetében azonban ezt a ragyogó fényt nehéz a Föld irányából észlelni, mivel a kozmikus por vastag, átláthatatlan felhői gyakorlatilag az egészet elnyelik, és alig engedik át a jeleket.
Ez viszont az az eset, amikor a neutrínók legbosszantóbb tulajdonsága az előnyünkre szolgál: ezek simán át tudnak hatolni a porfelhőkön is, és elérhetnek a Földre.
Továbbra is ott van azonban a detektálás problémája. Hogyan lehet észlelni a neutrínókat, ha interakció nélkül suhannak át a detektoron? A jó hír az, hogy a neutrínók számára az anyag csak túlnyomórészt átlátszó. Rendkívül ritkán azért kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, de az ilyen események észleléséhez nagyon különleges rendszerekre van szükség.
Ilyen az IceCube Neutrino Obszervatórium, amely szinte pontosan a Föld déli sarkán található. Ez nem egy megszokott csillagászati létesítmény, nem használ tükröt a kozmikus objektumok fényének összegyűjtéséhez és fókuszálásához, mint az optikai teleszkópok. Ehelyett viszonylag egyszerű optikai érzékelők sorát tartalmazza, amelyek függőleges zsinórokra vannak fellógatva, egy több mint 5000 érzékelőből álló, háromdimenziós tömböt alkotva.
Ráadásul az egész elrendezés több mint egy kilométernyi antarktiszi jég alá van temetve. Amikor egy neutrínó áthalad a jégen, van egy kis esélye, hogy belecsapódik a jégben lévő oxigén- vagy hidrogénatomok valamelyikének magjába. A tényleges becsapódás rendkívül ritka: másodpercenként több billió neutrínó halad át a Föld anyagának minden köbcentiméterén, de mérhető, fizikai kölcsönhatás az anyaggal csak néhány naponta történik. Ha mégis megtörténik egy ilyen, akkor nagy sebességű „szubatomi repeszek” keletkeznek, vagyis olyan részecskék, amelyek az ütközés helyszínéről a fénysebességnél picit lassabban távoznak. Ezek pedig végigszántják a jeget, mégpedig igen izgalmas módon gyorsabban haladnak benne, mint ahogy a képes áthaladni a jégen.
Kék villanások
A fizika általunk ismert törvényei ugyanakkor így sem nem sérülnek. A fény vákuumbeli sebessége jelenti a végső kozmikus sebességhatárt, de a fény sebessége ennél lassabb, amikor valamilyen anyagi közegen halad keresztül. A részecskék vákuumban nem tudnak gyorsabban mozogni a fénynél, de az anyagon keresztül lehetnek gyorsabbak a fotonoknál. Ilyenkor egyfajta fotonikus „hangrobbanást” keltenek, hasonlóan ahhoz a lökéshullámhoz, amely akkor keletkezik, amikor valami a levegőben a hangsebességnél gyorsabban halad. Ezek a fénysebességnél gyorsabb események fényes kék fényvillanásokban, az úgynevezett Cserenkov-sugárzásban realizálódnak. A tiszta antarktiszi jégben az ilyen sugárzás messziről látszik, és az IceCube detektorai érzékelni tudják.
Ez a technika lehetővé teszi a tudósok számára, hogy neutrínóeseményeket észleljenek, ugyanakkor gondot jelent, hogy a detektált jelek nem mindig az űrből származó neutrínóktól. A kozmikus sugárzás a szintén létrehozhat hasonló fényvillanásokat a jégben, megzavarva a méréseket.
A tudósok azonban okos módot találtak a kétféle jel megkülönböztetésére: magát a Földet használják hatalmas szűrőként.
Az űrből érkező neutrínók minden irányból érkeznek, így a Földön keresztül, vagyis alulról is. A kozmikus sugárzás viszont csak az antarktiszi obszervatórium feletti égboltról fog érkezni, mivel nem képes áthatolni a Földön, mint a neutrínók. Az IceCube detektorai képesek a beérkezési irányt mérni, és kiszűrni a felülről jövő részecskék okozta eseményeket, így biztosítva, hogy a tudósok csak a kozmikus neutrínók interakcióit tartsák nyilván.
Az IceCube több millió neutrínókhoz köthető eseményt észlelt, amelyek közül a legtöbb az égbolt véletlenszerű helyéről, azon egyenletesen elszórtan elhelyezkedő forrásokból származik. Vagyis úgy tűnik, hogy az univerzumban neutrínóforrások tömegei vannak, amelyek mindenfelé sugározzák a részecskéket. A nagy kérdés az, hogy mik ezek?
Honnan hová?
Az IceCube-együttműködés kutatói – csillagászok, fizikusok, mérnökök, adatelemzők és mások – nagyon alaposan feldolgozták a 2011–2020 között gyűjtött adatokat. A felvillanásokból származó irányinformációkat felhasználva, és a neutrínók pályáját visszakövetve számos olyan pontot találtak az égbolton, amelyek jelentős neutrínóforrásnak tűntek.
A legtöbb észlelt kozmikus neutrínó – összesen 79 darab – az NGC 1068 katalógusjelű spirálgalaxis irányából érkezett a vizsgált időszakban.
Ez a galaxis viszonylag közel van hozzánk, mindössze 47 millió fényévnyire, és elég fényes ahhoz, hogy távcsővel is észlelni lehessen. Már IceCube-neutrínókat elemző korábbi munkák alapján is sejthető volt, hogy az NGC 1068 lehetséges neutrínóforrás, de az adatok korábban nem voltak elég meggyőzőek ahhoz, hogy ezt egyértelműen meg lehessen állapítani. Az új eredmények azonban ezt mutatják.
Az aktív galaxisból származó neutrínók észlelése rendkívüli eredmény. Az észlelt neutrínók óriási energiával rendelkeztek, egyenként több mint egy teraelektronvolttal. Ez a kérdéses galaxisból érkező, látható fényű fotonok energiájának billiószorosa. A részecskék hatalmas energiájukat egy rendkívül erős kozmikus részecskegyorsítóban kapták, amelynek pontos helyére és működésmódjára egy aktívan táplálkozó nagy fekete lyuk esetében több lehetőség is kínálkozik.
A fekete lyuk körüli anyagkorong fölött és alatt lévő, turbulens ionizált anyag pokolian forró, és olyan erős mágneses tereket hordoz, amelyek hatalmas energiákat képesek a részecskékbe „pumpálni”, és közel fénysebességre gyorsítva őket. Egy másik lehetséges mód a részecskegyorsításra, hogy az akkréciós korong mágneses tere a fekete lyuk közelében megcsavarodik, és tornádószerű, poláris ikerörvényeket, úgynevezett jeteket hoz létre, amelyek szintén képesek nagy sebességgel kihajítani a részecskéket a rendszerből. Ezekben a jetekben a töltéssel rendelkező részecskék egymásnak ütközésekor keletkező lökéshullámok szintén képesek a nagy energiájú neutrínók létrehozásához szükséges energiákat generálni. Az NGC 1068 kapcsán pedig ismert, hogy valóban léteznek ilyen jetek.
A derengés rejtélye
Az NGC 1068-ból származó neutrínók észlelése betekintést kínál a csillagászoknak a fekete lyuk közelében zajló folyamatokba, és abba is, hogy mely konkrét hajtóerők felelősek a neutrínókért. Bár a Földön csak néhány tucat NGC 1068-ból származó neutrínót észleltek a vizsgált évtized alatt, a távolságot és a neutrínók interakciókra való alacsony hajlandóságát is figyelembe véve a csillagászok számításai szerint a fekete lyuk környékéről útjára induló neutrínók teljes száma olyan hatalmas lehet, hogy ezek 10 milliárdszor annyi energiát visznek magukkal, mint amennyit a Nap kibocsát.
Ezek a megfigyelések egy másik rejtélyhez is fontos támpontot adhatnak. Az égbolt minden irányából érkeznek neutrínók a Földre. Ennek a neutrínóderengésnek a forrását eddig nehéz volt meghatározni, az IceCube adataiban azonban több más aktív galaxisból származó neutrínót is láttak. Az új adatok arra utalnak, hogy az NGC 1068-hoz hasonlóan sok-sok más galaxis is neutrínókat bocsát ki, és ezek a távoli galaxisok lehetnek a kozmikus neutrínó-háttérsugárzás forrásai.
Nem is olyan régen mindössze két csillagászati objektumról tudtuk, hogy neutrínóforrásként „üzemel”: a Napról, ahol a neutrínók magban képződnek, és az 1987A szupernóváról, egy viszonylag közeli, felrobbanó csillagról, amely egy egyszeri neutrínóvillanást bocsátott ki. Legjobb tudásunk szerint az univerzum minden nagyobb galaxisának magjában van egy szupernehéz fekete lyuk, és ezek bármelyike potenciálisan aktív lehet. És bár mindenütt vannak ilyenek, a megfigyelésük nem egyszerű a közbeeső por és gáz miatt.
A neutrínók megfigyelésével azonban ezek detektálására is új lehetőség nyílik, egy új ablak a kozmoszra, amely a gravitációs hullámokhoz hasonlóan alapvetően más információkat hordoz, mint a látható fény és az elektromágneses már megszokott hullámhosszai.
