Μια άνευ προηγουμένου ανίχνευση νετρίνου στη Μεσόγειο διεύρυνε τα όρια της αστροφυσικής υψηλών ενεργειών, εγείροντας νέα ερωτήματα για τις πιο ακραίες διαδικασίες στο σύμπαν. Πριν από τρία χρόνια, επιστήμονες ανίχνευσαν στη Μεσόγειο Θάλασσα ένα “υπερ-ενεργό” κοσμικό νετρίνο, το πιο ενεργητικό που έχει καταγραφεί ποτέ.
Η ανακάλυψη τράβηξε την παγκόσμια προσοχή των ερευνητών, των μέσων ενημέρωσης και του κοινού. Ένας λόγος για το έντονο ενδιαφέρον είναι ότι η προέλευση του σωματιδίου παραμένει άγνωστη. Η ενέργειά του ήταν πάνω από δέκα φορές υψηλότερη από εκείνη οποιουδήποτε νετρίνου είχε παρατηρηθεί στο παρελθόν.
Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) από τη συνεργασία KM3NeT δείχνει μια πιθανή εξήγηση. Η ομάδα λειτουργεί τον ανιχνευτή KM3NeT/ARCA στα ανοικτά των ακτών της Σικελίας και υποστηρίζει ότι το σωματίδιο μπορεί να προήλθε από μια ομάδα μπλέιζαρ (blazars).
Πρόκειται για ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες που τροφοδοτούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες εκτοξεύουν πίδακες πλάσματος προς την κατεύθυνση της Γης.
Σε αναζήτηση του «ενόχου»
Ο KM3NeT/ARCA είναι ένας υποθαλάσσιος ανιχνευτής νετρίνων σε μεγάλο βάθος κοντά στη Σικελία, ο οποίος βρίσκεται ακόμη υπό κατασκευή. Παρόλα αυτά, στις 13 Φεβρουαρίου 2023, κατέγραψε ένα εξαιρετικό σήμα. Το νετρίνο που ανιχνεύθηκε είχε ενέργεια περίπου 220 PeV (περίπου 35 joules), ξεπερνώντας κατά πολύ οποιοδήποτε υψηλής ενέργειας νετρίνο είχε μετρηθεί στο παρελθόν.
Το εύρημα εξέπληξε τους επιστήμονες και έθεσε ένα βασικό ερώτημα: τι είδους πηγή θα μπορούσε να παράγει ένα τόσο ακραίο σωματίδιο; Για να ερευνήσουν το συμβάν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση παρόμοια με την ιατροδικαστική ανάλυση.
Ξεκίνησαν με πιθανές εξηγήσεις, έτρεξαν προσομοιώσεις αυτών των σεναρίων και συνέκριναν τα αποτελέσματα με τα πραγματικά δεδομένα. Μια επικρατούσα ιδέα είναι ότι το νετρίνο προήλθε από έναν συγκεκριμένο τύπο μπλέιζαρ.
«Υπάρχουν αρκετές πιθανές εξηγήσεις για την προέλευση αυτού του σωματιδίου», εξηγεί η Meriem Bendahman από το INFN της Νάπολης και τη συνεργασία KM3NeT. «Για παράδειγμα, έχει προταθεί ότι τέτοια νετρίνα παράγονται όταν κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρούν με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, το υπολειμματικό φως από το πρώιμο Σύμπαν. Υπάρχει όμως και η πιθανότητα το νετρίνο να προέρχεται από μια διάχυτη ροή που παράγεται από έναν πληθυσμό ακραίων επιταχυντών, όπως τα μπλέιζαρ».
Μια διάχυτη πηγή αντί για ένα μεμονωμένο γεγονός
Η Bendahman και οι συνάδελφοί της βρήκαν στοιχεία που υποδηλώνουν ότι το νετρίνο δεν προήλθε από ένα μεμονωμένο, δραματικό γεγονός, όπως μια έκρηξη ή μια λάμψη (flare). Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι επιστήμονες συνήθως αναζητούν ένα ηλεκτρομαγνητικό “αντίστοιχο” — δηλαδή, ένα σήμα σε ραδιοφωνικά, οπτικά, ακτίνων Χ ή ακτίνων γάμμα μήκη κύματος από την ίδια περιοχή του ουρανού την ίδια χρονική στιγμή. Κανένα τέτοιο σήμα δεν ανιχνεύθηκε για αυτό το συμβάν.
«Αυτό δεν αποκλείει εντελώς την πιθανότητα μιας σημειακής πηγής», λέει η Bendahman, »αλλά μας οδηγεί να εξετάσουμε το ενδεχόμενο το νετρίνο μας να προέρχεται από ένα διάχυτο υπόβαθρο — δηλαδή, από μια ροή νετρίνων που περιλαμβάνει συνεισφορές από πολλές πηγές».
Για να ελέγξει αυτή την ιδέα, η ομάδα προσομοίωσε έναν πληθυσμό μπλέιζαρ χρησιμοποιώντας το λογισμικό ανοιχτού κώδικα AM3. Βάσισαν πολλές από τις παραμέτρους εισαγωγής σε υπάρχουσες παρατηρήσεις, όπως η ισχύς του μαγνητικού πεδίου και το μέγεθος της περιοχής εκπομπής.
Επικεντρώθηκαν σε δύο κύριες μεταβλητές: Το βαρυονικό φορτίο (baryonic loading), που περιγράφει πόση ενέργεια μεταφέρεται από τα πρωτόνια σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, και τον φασματικό δείκτη πρωτονίων, ο οποίος καθορίζει πώς κατανέμονται οι ενέργειες των πρωτονίων.
Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν το πόσα νετρίνα παράγονται και πόσο ενεργητικά μπορούν να γίνουν. Για κάθε σενάριο, οι ερευνητές υπολόγισαν τόσο την αναμενόμενη ροή νετρίνων όσο και τη σχετιζόμενη εκπομπή ακτίνων γάμμα, και στη συνέχεια συνέκριναν αυτά τα αποτελέσματα με τις πραγματικές παρατηρήσεις.
Διασταύρωση με τα IceCube και Fermi
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της μελέτης είναι η χρήση πολλαπλών συνόλων δεδομένων. Μαζί με τις μετρήσεις του KM3NeT/ARCA, η ομάδα ανέλυσε δεδομένα από το Αστεροσκοπείο Νετρίνων IceCube και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Ακτίνων Γάμμα Fermi.
Έλαβαν υπόψη τόσο τις ανιχνεύσεις όσο και την απουσία αυτών. Η έλλειψη παρόμοιων νετρίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας στα υπάρχοντα σύνολα δεδομένων, συμπεριλαμβανομένου του IceCube, υποδεικνύει ότι τέτοια συμβάντα είναι εξαιρετικά σπάνια.
Οποιαδήποτε εξήγηση πρέπει να το λαμβάνει αυτό υπόψη, και το σενάριο των μπλέιζαρ το επιτυγχάνει. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν επίσης ότι η προβλεπόμενη εκπομπή ακτίνων γάμμα από τα μπλέιζαρ δεν υπερβαίνει το εξωγαλαξιακό υπόβαθρο ακτίνων γάμμα που έχει μετρήσει το Fermi.
Το μοντέλο τους παραμένει συνεπές με αυτά τα όρια. Όπως εξηγεί η Bendahman: «Μοντελοποιήσαμε έναν ρεαλιστικό πληθυσμό μπλέιζαρ με παραμέτρους που βασίζονται στη φυσική και διαπιστώσαμε ότι αυτός ο πληθυσμός θα μπορούσε να εξηγήσει την προέλευση αυτού του συμβάντος εξαιρετικά υψηλής ενέργειας, παραμένοντας παράλληλα συνεπής με τους περιορισμούς που έχουμε από τις παρατηρήσεις ακτίνων γάμμα και νετρίνων».
Το KM3NeT και το μέλλον της Αστρονομίας νετρίνων
Η εξήγηση των μπλέιζαρ είναι πολλά υποσχόμενη, αλλά απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για να επιβεβαιωθεί. «Χρειαζόμαστε περισσότερα παρατηρησιακά δεδομένα», λέει η Bendahman. «Το KM3NeT βρίσκεται ακόμη υπό κατασκευή και ανιχνεύσαμε αυτό το νετρίνο εξαιρετικά υψηλής ενέργειας με μια μόνο μερική διάταξη. Με τον πλήρη ανιχνευτή και περισσότερα δεδομένα, θα είμαστε σε θέση να διεξάγουμε ισχυρότερες στατιστικές αναλύσεις και να ανοίξουμε ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν των νετρίνων υπερ-υψηλής ενέργειας».
Κατά τη στιγμή της ανίχνευσης, μόνο 21 γραμμές ανίχνευσης ήταν ενεργές, δηλαδή περίπου το 10% του προγραμματισμένου μεγέθους του ανιχνευτή. Εάν αυτή η ερμηνεία επιβεβαιωθεί, θα αναδιαμορφώσει την κατανόησή μας για τον τρόπο με τον οποίο τα μπλέιζαρ επιταχύνουν τα σωματίδια.
«Δεν έχουμε παρατηρήσει ποτέ ξανά ένα νετρίνο τόσο υψηλής ενέργειας και, αν αποδειχθεί ότι προέρχεται από κοσμικούς επιταχυντές όπως τα μπλέιζαρ», καταλήγει η Bendahman, «θα μας προσφέρει μια νέα ματιά στο πώς αυτά τα αντικείμενα μπορούν να εκπέμπουν σωματίδια σε ενέργειες που ξεπερνούν κάθε προηγούμενη προσδοκία μας».