Eerste neutrino-opname van een actief sterrenstelsel

Al meer dan tien jaar observeert het IceCube Observatorium op de Zuidpool de lichteffecten van extragalactische neutrino’s. Bij het evalueren van waarnemingsgegevens ontdekte een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Technische Universiteit van München (TUM) een bron van hoogenergetische neutrinostraling in het actieve sterrenstelsel NGC 1068, ook bekend als Messier 77.

Het universum zit vol geheimen. Een van deze raadsels betreft actieve sterrenstelsels met superzware zwarte gaten in hun centrum. “Vandaag weten we nog steeds niet precies welke processen daar plaatsvinden”, zegt Elisa Risconi, hoogleraar experimentele fysica met kosmische deeltjes aan de TUM. Haar team heeft nu een grote stap gezet in de richting van het oplossen van dit mysterie: astrofysici hebben een hoogenergetische neutrinobron ontdekt in het spiraalstelsel NGC 1068.

Het is erg moeilijk om de centra van actieve sterrenstelsels te verkennen met telescopen die zichtbaar licht, gammastraling of röntgenstraling vanuit de ruimte detecteren, omdat wolken van kosmisch stof en heet plasma straling absorberen. Alleen neutrino’s kunnen ontsnappen uit de hel aan de randen van zwarte gaten. Deze neutrino’s hebben geen elektrische lading en bijna geen massa. Ze doordringen de ruimte zonder te worden afgebogen door elektromagnetische velden of geabsorbeerd te worden. Dit maakt het erg moeilijk te detecteren.

De grootste hindernis in de neutrino-astronomie tot nu toe is het scheiden van het zeer zwakke signaal van de sterke achtergrondruis veroorzaakt door de effecten van deeltjes uit de atmosfeer van de aarde. Het vergde vele jaren van metingen met behulp van de IceCube Neutrino Observatory en nieuwe statistische methoden om Resconi en haar team in staat te stellen genoeg neutrino-gebeurtenissen samen te stellen voor hun ontdekking.

Detectivewerk in Eternal Ice

De IceCube-telescoop, die zich in het Antarctische ijs bevindt, detecteert sinds 2011 sporen van licht van gevallen neutrino’s. “Op basis van hun energie en invalshoek kunnen we reconstrueren waar ze vandaan kwamen”, zegt TUM-wetenschapper Dr. Theo. Glans. “De statistische evaluatie laat een zeer belangrijke reeks neutrino-effecten zien die uit de richting van het actieve sterrenstelsel NGC 1068 komen. Dit betekent dat we met bijna zekerheid kunnen aannemen dat de hoogenergetische neutrino-straling van dit sterrenstelsel afkomstig is.”

Het spiraalstelsel, op 47 miljoen lichtjaar afstand, werd al in de 18e eeuw ontdekt. NGC 1068 – ook bekend als Messier 77 – is qua vorm en grootte vergelijkbaar met onze melkweg, maar het centrum is erg helder en veel helderder dan de hele Melkweg, hoewel het centrum ongeveer zo groot is als ons zonnestelsel. Dit centrum bevat een “actieve kern”: elke zwarte supernova met een massa van ongeveer honderd miljoen keer de massa van onze zon, die grote hoeveelheden materiaal absorbeert.

Maar hoe en waar worden daar neutrino’s gegenereerd? “We hebben een duidelijk scenario”, zegt Risconi. “Wij geloven dat hoogenergetische neutrino’s het resultaat zijn van de intense versnelling van materie in de buurt van het zwarte gat, waardoor het tot zeer hoge energieën stijgt. We weten uit experimenten met deeltjesversnellers dat hoogenergetische protonen neutrino’s genereren wanneer ze botsen met andere deeltjes, met andere woorden: we hebben een kosmische versneller gevonden.

Neutrino-observatoria voor nieuwe astronomie

NGC 1068 is de statistisch meest significante bron van hoogenergetische neutrino’s die tot nu toe zijn ontdekt. Er zijn meer gegevens nodig om zwakkere en verder gelegen neutrinobronnen te kunnen lokaliseren en onderzoeken, zegt Risconi, die onlangs een internationaal initiatief lanceerde om een ​​neutrinotelescoop met een volume van enkele kubieke kilometers in het noordoosten en de Stille Oceaan te bouwen. Het neutrino-experiment, P-ONE. Samen met een gepland IceCube-observatorium van de tweede generatie – IceCube Gen2 – zal het gegevens opleveren voor toekomstige neutrino-astronomie.