Ένας μακρινός γαλαξίας με έντονο σχηματισμό άστρων, με το παρατσούκλι «Shadow Blaster», φαίνεται πως έστειλε ένα «φάντασμα» του σύμπαντος προς τη Γη: ένα νετρίνο υψηλής ενέργειας.
Οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι εντόπισαν την προέλευση του σωματιδίου σε απόσταση 11 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, ένα βήμα για την κατανόηση των μυστηριωδών νετρίνων.
Τα νετρίνα είναι πανταχού παρόντα στο σύμπαν και αποκαλούνται «σωματίδια-φαντάσματα» επειδή δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, έχουν πολύ μικρή μάζα και σχεδόν δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη. Γεννιούνται σε σουπερνόβα, σε πυρηνικές αντιδράσεις των άστρων και από τη διάσπαση βαρέων σωματιδίων. Ωστόσο, όταν παρατηρητήρια όπως το IceCube στην Ανταρκτική καταγράφουν την παρουσία τους, ο ακριβής εντοπισμός της πηγής είναι ιδιαίτερα δύσκολος.
«Σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη, γι’ αυτό και μπορούν να διασχίζουν το σύμπαν σχεδόν ανεπηρέαστα», είπε ο Dr. Yuji Urata, ερευνητής στην εταιρεία αστρονομικής έρευνας MITOS Science Co. Ltd. με έδρα την Ταϊβάν. «Ακόμη και όταν το IceCube ανιχνεύει ένα νετρίνο υψηλής ενέργειας, η θέση του στον ουρανό έχει συχνά περιοχή αβεβαιότητας πολύ μεγαλύτερη από το μέγεθος ενός γαλαξία».
Αν η πηγή δεν μεταβάλλει τη φωτεινότητά της και δεν εμφανίζει εκλάμψεις, ο εντοπισμός γίνεται σχεδόν αδύνατος. Όμως, σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 17 Ιουνίου στο περιοδικό Nature Astronomy, ο επικεφαλής συγγραφέας Urata και η ομάδα του στάθηκαν τυχεροί: μια «κοσμική σύμπτωση» έκανε τον γαλαξία Shadow Blaster να φωτίσει λίγο μετά την ανίχνευση ενός νετρίνου υψηλής ενέργειας στη Γη, υποδηλώνοντας εκλάμψη δραστηριότητας που τους οδήγησε κατευθείαν στην πηγή — και ίσως ανοίγει νέο δρόμο για την αναζήτηση των προελεύσεων αυτών των σωματιδίων.
Το 2021, ο ανιχνευτής IceCube, με αισθητήρες βαθιά στον πάγο της Ανταρκτικής, κατέγραψε ένα νετρίνο υψηλής ενέργειας — από αυτά που οι επιστήμονες εντοπίζουν κάθε δύο με τρία χρόνια, είπε ο Erik Blaufuss, ερευνητής στο τμήμα Φυσικής του University of Maryland, που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Το συμβάν που γέννησε το νετρίνο, με κωδική ονομασία IC 210922A, φαινόταν να προέρχεται από την κατεύθυνση του αστερισμού Eridanus και το παρατηρητήριο εξέδωσε προειδοποίηση προς την αστρονομική κοινότητα. Ακολούθησαν ταχείες παρατηρήσεις σε διαφορετικά μήκη κύματος για τον εντοπισμό της πηγής.
Δεν ανιχνεύθηκαν όμως εκρήξεις άστρων, εκλάμψεις ακτίνων γάμμα, ακτίνες Χ ή ορατό φως που να συνδέονται με το νετρίνο. «Μόνα τους τα νετρίνα μας λένε ότι κάτι ενεργητικό συνέβη κάπου στον ουρανό, αλλά συνήθως δεν μας λένε ποια είναι η πηγή, πόσο μακριά βρίσκεται ή τι είδους αντικείμενο τα παρήγαγε», έγραψε ο Urata σε email. «Για να απαντήσουμε σε αυτά τα ερωτήματα, χρειαζόμαστε φως: ραδιοφωνικό, υποχιλιοστομετρικό, υπέρυθρο, οπτικό, ακτίνες Χ και γάμμα».
Λίγες μέρες μετά την προειδοποίηση, ο Urata και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν παρατηρήσεις με το James Clerk Maxwell Telescope του East Asian Observatory και το Submillimeter Array, κοντά στην κορυφή του Mauna Kea στη Χαβάη. Εντόπισαν έναν γαλαξία πλούσιο σε σχηματισμό άστρων, τον JCMT0402−0424, με φωτεινότητα στο υπέρυθρο τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου και στη σωστή θέση για πιθανή σύνδεση με το νετρίνο.
Η ομάδα τον βάφτισε Shadow Blaster, επειδή είναι γεμάτος σκόνη και σχεδόν αόρατος στο οπτικό, στις ακτίνες Χ ή στις ακτίνες γάμμα, ενώ το «Blaster» παραπέμπει στην ιδέα ότι, παρά την κρυμμένη του φύση, μπορεί να είναι ισχυρή πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας και νετρίνων.
Σε επόμενες παρατηρήσεις με το Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) στη Χιλή, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο Shadow Blaster βρίσκεται πίσω από βαρυτικό φακό. Η βαρυτική εστίαση, όταν ένας μεγάλος γαλαξίας στο προσκήνιο μεγεθύνει έναν πιο μακρινό γαλαξία στο φόντο, λειτούργησε ως κοσμικός μεγεθυντικός φακός. «Αυτό το φαινόμενο μεγέθυνε τον γαλαξία και μας επέτρεψε να μελετήσουμε μια κρυμμένη, συμπαγή περιοχή σχηματισμού άστρων που διαφορετικά θα ήταν πολύ πιο δύσκολο να ανιχνευθεί», είπε ο Urata.
Οι πυκνές «φυτωριακές» περιοχές άστρων σε τέτοιους γαλαξίες, όπως αυτή του Shadow Blaster, προσφέρουν αέριο, ακτινοβολία και μαγνητικά πεδία που λειτουργούν σαν επιταχυντές σωματιδίων και παράγουν νετρίνα. «Οι γαλαξίες με σχηματισμό άστρων παράγουν πολλά άστρα, μερικά από τα οποία είναι ογκώδη και καίγονται γρήγορα, εκρήγνυνται ως σουπερνόβα και πιθανότατα επιταχύνουν κοσμικές ακτίνες στη διαδικασία», είπε ο Justin Vandenbroucke, καθηγητής στο τμήμα Φυσικής και στο Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center του University of Wisconsin-Madison, που επίσης δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Στις πρώτες εποχές του σύμπαντος, πριν από 10 δισεκατομμύρια χρόνια, γαλαξίες όπως ο Shadow Blaster γνώρισαν έντονη «έκρηξη» σχηματισμού άστρων και παρήγαγαν κοσμικές ακτίνες — τα πιο ενεργητικά σωματίδια του σύμπαντος — που μπορούν να δημιουργήσουν νετρίνα. Η σύνδεση όμως ανάμεσα στα νετρίνα και τους γαλαξίες με σχηματισμό άστρων είναι δύσκολη, καθώς οι περισσότεροι είναι μακρινοί και αμυδροί λόγω της σκόνης — βασικό συστατικό για τη γέννηση άστρων. Η δυνατότητα να «κοιτάξουν» μέσα στον Shadow Blaster με τη βοήθεια βαρυτικού φακού έκανε τη διαφορά, σημείωσε ο Urata.
Γαλαξίες όπως ο Shadow Blaster μπορεί να αποτελούν βασική πηγή νετρίνων υψηλής ενέργειας. «Η ανάλυσή μας υποδηλώνει ότι αυτός ο πληθυσμός θα μπορούσε να συνεισφέρει έως και περίπου 20% στο παρατηρούμενο διάχυτο υπόβαθρο νετρίνων που μετρά το IceCube», είπε ο Urata.
Ο Vandenbroucke προειδοποίησε ότι ο εντοπισμός του «σωστού» γαλαξία στην περιοχή προέλευσης του νετρίνου θα μπορούσε να είναι τυχαίος. Οι ερευνητές «εκτιμούν την πιθανότητα να είναι τυχαία σύμπτωση στο περίπου 1%», είπε. «Η ανίχνευση περισσότερων τέτοιων συσχετίσεων ανάμεσα σε αυτόν τον τύπο γαλαξιών και νετρίνα υψηλής ενέργειας είναι αναγκαία για να τεκμηριωθεί αν πράγματι αποτελούν πηγές νετρίνων».
Οι επιστήμονες θέλουν επίσης να κατανοήσουν ποιες συνθήκες μέσα σε έναν γαλαξία με σχηματισμό άστρων ευνοούν τη δημιουργία νετρίνων. «Παρατηρητήρια όπως το ALMA και το James Webb Space Telescope αλλάζουν τον τρόπο που μελετάμε μακρινούς, σκονισμένους, ογκώδεις γαλαξίες», είπε ο Urata. «Αν μερικοί από αυτούς τους γαλαξίες είναι επίσης πηγές νετρίνων, τότε τα νετρίνα μπορεί να προσφέρουν έναν εντελώς νέο τρόπο να μελετήσουμε πώς οι γαλαξίες σχημάτισαν άστρα, έχτισαν μαγνητικά πεδία και επιτάχυναν κοσμικές ακτίνες όταν το σύμπαν ήταν νέο».
Η μελέτη, σύμφωνα με τον Blaufuss, θα δώσει ώθηση στην αναζήτηση πιο βαθιών συσχετίσεων ανάμεσα στα νετρίνα και τις πιθανές πηγές τους. Η αξιοποίηση βαρυτικών φακών για τον εντοπισμό νετρίνων μπορεί επίσης να επιτρέψει πιο λεπτομερή μελέτη αυτών των «φαντασμάτων», που παραμένουν αινιγματικά παρά τις δεκαετίες ανίχνευσης. «Τα νετρίνα προσφέρουν ένα είδος υπέρ-ακτινογραφικής όρασης, επιτρέποντάς μας να μελετάμε φαινόμενα που αλλιώς είναι κρυμμένα από τα τηλεσκόπιά μας, όπως ακριβώς οι ακτινογραφίες μας επιτρέπουν να βλέπουμε μέσα σε ανθρώπους και αντικείμενα», είπε ο Vandenbroucke.
