Geisterhafte Neutrinos gewähren einen Blick in das Herz einer nahen Galaxie

Der Himmelskern von Messier 77 ist so angeordnet, dass Staub und Gas, die das Schwarze Loch umkreisen, das Objekt verdecken, wenn es von der Erde aus mit typischen Methoden wie Teleskopen, die auf optischem Licht beruhen, betrachtet wird.

„Wir sehen die Galaxie etwas seitlich, und weil wir sie von der Seite betrachten, versteckt sich das Schwarze Loch hinter der Materie, die in ihrer Nähe kreist“, sagte Ignacio Taboada, Physikprofessor am Georgia Institute of Technology. Ein Sprecher der internationalen Zusammenarbeit, der die Forschung durchgeführt hat.

Aber Neutrinos – die häufigsten und energiereichsten Teilchen im Universum –Passieren Sie dieses Gas und Staub unbeeinflusst Weil sie selten mit irgendetwas interagieren, einschließlich Magnetfeldern, Materie oder Schwerkraft. Dieser Phantomaspekt bietet Wissenschaftlern eine beispiellose Möglichkeit, die Prozesse zu untersuchen, die um ein zuvor verborgenes Schwarzes Loch herum ablaufen, einschließlich der Beschleunigung von supergeladenen Gasen und Materie in die Nähe, sagten die Forscher.

„Neutrinos sind eine andere Art, das Universum zu betrachten. Und jedes Mal, wenn Sie das Universum auf eine neue Weise betrachten, lernen Sie etwas, was Sie auf die alte Weise nicht gelernt hätten“, sagte Dr.

Neutrinos bewahren Informationen Laut Hans Niederhausen, Postdoktorand an der Michigan State University, der an der Forschung beteiligt war, werden sie bei ihrer Bildung in ihre Quellen, einschließlich ihrer Energien, eingeprägt. Dieselbe Energie wird mit Neutrinos auf die Erde gebracht.

Jetzt, da sie wissen, woher einige der Neutrinos kommen, untersuchen die Forscher sie, um besser zu verstehen, wo die Wechselwirkungen innerhalb von Messier 77 auftreten, die diese Teilchen erzeugen und beschleunigen – und das Verhalten und die Natur des Schwarzen Lochs selbst, sagte Dr. Niederhausen.

Sie planen auch, das Universum nach anderen Neutrinos aus Galaxien mit aktiven supermassiven Schwarzen Löchern ähnlich wie Messier 77 zu durchkämmen. Diese Galaxie „gibt uns eine sehr gute Vorstellung davon, wo wir als nächstes suchen müssen“, fügte er hinzu.

Das in der Studie verwendete Neutrino-Nachweistelteleskop, bekannt als das Eiswürfel-Neutrino-ObservatoriumBegraben in einer Milliarde Tonnen Eis um die Amundsen-Scott-Südpolstation in den USA. Wenn Neutrinos die Erde passieren, kollidieren sie manchmal mit Atomen im Eis. Das Observatorium erkennt mehr als 5.000 basketballgroße Sensoren als Nebenprodukte dieser seltenen Kollisionen und sendet diese Daten an Computer an der Oberfläche.

Das 279 Millionen US-Dollar teure Observatorium, das hauptsächlich von der National Science Foundation finanziert wurde, wurde 2011 fertiggestellt und weist jährlich etwa 100.000 Neutrinos nach. Fast alle diese Neutrinos werden durch Prozesse in unserer Atmosphäre erzeugt, aber einige Hundert der jährlich nachgewiesenen Neutrinos stammen von außerhalb unseres Sonnensystems – bekannt als astrophysikalische Neutrinos.

Da Neutrinos durchdringen Materie Und sie gehen unbeeinflusst hindurch und reisen fehlerfrei in gerader Linie von ihrem Entstehungsort aus. Indem sie also die Richtung der physikalischen Neutrino-Übertragung durch das Eis aufzeichnen, können Forscher ihren Weg durch das Universum bis zu ihrer Quelle rekonstruieren.

Fast 400 Wissenschaftler in mehr als 50 Institutionen bilden die internationale IceCube-Kooperation, die Daten analysiert hat Gesammelt vom Observatorium Zwischen 2011 und 2020 zur Identifizierung von 79 Neutrinos, die von Messier 77 stammen.

Dr. Yoshi Uchida, Physikprofessor am Imperial College London, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte, IceCubes Entdeckung einzelner Objekte, die astrophysikalische Neutrinoquellen seien, sei „ziemlich erstaunlich“. „Nach 10 Jahren Betrieb verwandelt es die Beobachtung von Neutrinos in eine weitere Informationsquelle.“

Dr. Tapoada sagte, er glaube, dass der IceCube weiterhin mehr Neutrinos aus dieser Galaxie hervorbringen werde. Diese zukünftigen Entdeckungen könnten nicht nur dazu beitragen, zusätzliche Details über das supermassereiche Schwarze Loch von Messier 77 zu analysieren, sondern auch dazu beitragen, „die älteste Frage der Astronomie“ zu beantworten, so Frances Halzen, Physikerin an der University of Wisconsin-Madison und Hauptforscherin bei IceCube.

Wissenschaftler wissen seit mehr als einem Jahrhundert von der Existenz kosmischer Strahlung – Ströme hochenergetischer Protonen und Atomkerne, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre elektromagnetische Strahlung und ein Sperrfeuer subatomarer Teilchen erzeugen. Aber der Ursprung dieser Strahlen und der Mechanismus, der sie beschleunigt und in unsere Richtung schickt, bleibt schwer fassbar.

„Etwas im Universum hat ihnen einen enormen Schub gegeben, damit sie so schnell fliegen“, sagte Dr. Niederhausen über die kosmische Strahlung.

Neutrinos sind ein Nebenprodukt der Wechselwirkungen dieser kosmischen Strahlung mit Materie und Strahlung, die hochenergetische Objekte wie supermassive Schwarze Löcher umgeben, so Dr. Die Rückverfolgung der gespenstischen Partikel bis zu ihrem Ursprung könnte helfen, die Ursprünge der kosmischen Strahlung aufzuklären, sagten Halzen und Taboada.

Schreiben Sie an Aylin Woodward unter aylin.woodward@wsj.com