Ny form for astronomi: Fysikere fanger neutrino fra fjern galakse
En meget energirig neutrino udsendt af en såkaldt blazar har været fire milliarder år undervejs, før den ramte isen på Sydpolen og blev detekteret.
Blazar neutrinoer

En blazar udsender ekstra kraftig stråling i to retninger langs det sorte huls magnetfelt. Jorden ligger i retning af den ene af strålerne. (Illustration: R. Dienel/Carnegie Institution for Science)

Godt begravet i isen på Sydpolen findes en stor detektor, som er eminent til at fange spor efter energirige neutrinoer – ganske små og lette elementarpartikler, som ellers er uhyre svære at detektere.

Neutrino-observatoriet IceCube har nu haft besøg af neutrino, der kom langvejs fra. Meget tyder nemlig på, at den blev udsendt fra et himmellegeme ved navn TXS 0506+056 fire milliarder lysår herfra.

Det er et gennembrud inden for astronomien, for det viser, at neutrinoer kan bruges som astronomiske budbringere og gøre os klogere på universet.

Historien kort
  • En neutrino med høj energi er blevet detekteret med neutrino-observatoriet IceCube på Sydpolen.
  • Samtidig blev der målt forøget gammastråling fra samme retning, nemlig i retning af en såkaldt blazar - en galaksekerne med et sort hul.
  • Det viser, at neutrinoer kan bruges som astronomisk værktøj, der kan afsløre detaljer om universets vildeste fænomener - og måske også om fysikkens love.

Det er ikke blot lys og andre former for stråling, der kan tilbagelægge de ekstremt lange afstande fra fjerne galakser, men også de uanseelige neutrinoer.

Fuld fart på

Neutrinoen blev målt til at have en energi på 290 TeV (teraelektronvolt). Det er langt mere energi, end en partikel kan få her på Jorden, selv i de største partikelacceleratorer.

Astrofysikerne vil selvfølgelig gerne vide, hvilke fænomener i naturen der kan frembringe så høje energier – hvordan partikler kan få så ekstremt meget fart på.

Neutrinoer farer altid af sted med hastigheder uhyre tæt på lysets hastighed, men denne gang var der ekstra skub på.

»Vi har haft ideer til, hvor energirige neutrinoer kunne komme fra, men vi har manglet beviset. Vi har ledt, men ikke fundet kilden til dem. Men nu ved vi, at denne neutrino kom fra en aktiv galaksekerne,« siger Subir Sarkar, der er Niels Bohr professor på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og en del af IceCube-gruppen samme sted.

IceCube neutrinoer

Den energirige neutrino efterlod sig lysspor i isen ved Sydpolen. Lysglimtene blev opfanget af det netværk af detektorer, der udgør IceCube-observatoriet. Postdoc Mohamed Rameez fra den københavnske IceCube-gruppe rekonstruerede neutrinoens bane. (Illustration: IceCube/NSF)

Både kvasar og blazar

22. september 2017 susede den meget energirige neutrino igennem detektoren i isen og efterlod sig et klart spor undervejs.

Siden da har forskerne haft travlt med at analysere opdagelsen og skrive en artikel om den til det videnskabelige tidsskrift Science.

De er nu overbeviste om, at neutrinoen kom fra en elliptisk galakse med et stort, roterende sort hul i midten.

Støv og gas falder ned i det sorte hul, og i den forbindelse udsendes der masser af lys og anden elektromagnetisk stråling.

Sådan en aktiv galaksekerne kaldes en kvasar, men TXS 0506+056 er mere end det. Den udsender nemlig ekstra intens stråling i retninger ud fra det sorte huls magnetiske poler, og Jorden ligger lige i skudlinjen for den ene af de to stråler. Derfor er TXS 0506+056 ikke blot en kvasar, men også en såkaldt blazar.

Supernova udsendte også neutrinoer

Det er kun anden gang, der er registreret neutrinoer fra andre himmellegemer end Solen.

I 1987 blev der detekteret spor efter 25 neutrinoer fra en supernova i Den Store Magellanske Sky, en lille nabogalakse til Mælkevejen cirka 163.000 lysår herfra.

Disse neutrinoer havde ikke nær så høj energi som den nyopdagede.

Gammastråling gav beviset

I 2015 brugte fysikerne også IceCube til at fange spor efter energirige neutrinoer. De konkluderede, at neutrinoerne måtte stamme fra fjerne galakser.

Det kan man læse meget mere om i artiklen Gennembrud på Sydpolen: Nu kan neutrinoer bruges til astronomi, hvor vi også beskriver, hvordan IceCube-detektoren virker.

Men dengang kunne astronomerne ikke finde ud af, præcis hvor neutrinoerne kom fra. Det kan de nu.

De har nemlig ikke kun neutrinoen fra 22. september at gå efter, men også elektromagnetisk stråling fra samme retning – i retning af den fjerne blazar.

Blazaren var meget aktiv og lyste ekstra kraftigt op i den periode, hvor neutrinoen også blev udsendt. Specielt kom der meget gammastråling fra den.

»Gammastrålerne blev opfanget af teleskopetet MAGIC og satellitten Fermi, og de kom fra samme retning og ankom på samme tid som neutrinoen. Så vi er ret sikre på, at begge dele kommer fra blazaren,« siger Subir Sarkar.

IceCube-forskerne var også en tur i det digitale arkiv for at finde ud af, om tidligere detekterede neutrinoer måske kan stamme fra samme blazar. Det fremgår af en anden artikel i Science.

Det viste sig, at der dukkede ekstra neutrinoer op fra den retning i en periode på 5 måneder i 2014 og 2015, hvor blazaren også var meget aktiv. Her er dataen dog knap så overbevisende.

Måske blev en stjerne spist

Der er altså sammenfald mellem udsendelsen af neutrinoen – og utvivlsomt mange som den, som blot ikke blev detekteret – og en opblussen af blazaren.

Det er en information, som astrofysikerne kan bruge til at blive klogere på sådan nogle himmellegemer.

Blazar

Blazaren sender både neutrinoer og elektromagnetisk stråling, ikke mindst gammastråler, i retning af Jorden. (Illustration: IceCube/NASA)

»Blazaren er drevet af det sorte hul. Og det sorte hul får sin energi fra de ting, der falder ind i det. Så en opblusning af blazaren må skyldes, at noget stort falder ind i det sorte hul,« forklarer Subir Sarkar.

»Måske var det en stjerne, der blev fortæret af det sorte hul, så det var en stjernes død, vi observerede.«

Fysikkens love kan afprøves

Udover astronomi kan neutrinoerne også hjælpe forskerne med mere fundamental fysik.

Fysikerne kender tre forskellige slags neutrinoer, nemlig elektron-, myon- og tau-neutrinoer.

Men neutrinoer adskiller sig fra andre elementarpartikler ved, at de kan forvandle sig i farten – de er naturens egne forvandlingskugler. En neutrino kan blive en anden slags neutrino.

»Når neutrinoer bevæger sig igennem rummet, oscillerer de – de ændrer type i henhold til kvantemekanikken,« siger Subir Sarkar og fortsætter:

»Med en kendt kilde til højenergi-neutrinoer har vi fået et kvantemekanisk laboratorium med en udstrækning på fire milliarder lysår. Hvis vi kan måle mange neutrinoer og skelne imellem dem, kan vi finde ud af, om de forvandler sig som forventet. Måske er der noget, der forstyrrer oscillationerne undervejs.«

Fysikerne håber på, at målinger af neutrinoernes forvandlingsnummer over lange afstande kan fortælle dem noget om selve rumtidens struktur – hvordan kvantemekanikkens love påvirker rummet og tiden på de mindste afstande.

Bedre detektorer er på vej

Det kræver flere og mere præcise målinger med større detektorer, og IceCube-fysikerne har da også planer om at udvide detektoren på Antarktis. Desuden er endnu en stor neutrinodetektor kaldet KM3NeT under opbygning i Middelhavet.

Med disse detektorer, der er klar om nogle få år, vil fysikerne fange mange flere neutrinoer og finde flere astronomiske kilder til dem.

»Nu fanger vi 15-20 højenergi-neutrinoer om året, men med de nye detektorer bliver dette tal mangedoblet. Vi vil finde ud af, hvilken slags blazarer der udsender neutrinoerne, og jeg er sikker på, at vi også vi finde andre kilder til dem,« slutter Subir Sarkar.

Her forklarer forskere bag IceCube-detektoren om opdagelsen. (Video: IceCube Collaboration/NSF)

Ugens Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.