Otkriće izvora astrofizičkih neutrina

Kao što sam najavio na kraju svojeg prethodnog teksta, ovih je dana izdano priopćenje za javnost o važnom otkriću vezanom uz astrofizičke neutrine. Časopis Science objavio je zajednički članak nekoliko velikih međunarodnih znanstvenih kolaboracija u kojem se prvi put daje pouzdani odgovor na pitanje odakle dolaze astrofizički neutrini i kozmičke zrake najviših energija. To je pitanje znanstvenike mučilo čitavo stoljeće, od otkrića kozmičkih zraka 1912. godine.

Kozmički izvori na koje se sumnjalo, ali koje dobar dio astronomske zajednice nije doživljavao kao ozbiljne kandidate, su blazari – daleke galaksije u čijim su središtima aktivne supermasivne crne rupe i koje imaju prema nama usmjeren gigantski mlaz zračenja i čestica ogromnih energija. Iz jednog takvog blazara, nazvanog TXS 0506+056 i od nas udaljenog 5,7 milijardi svjetlosnih godina, neutrinski opservatorij IceCube detektirao je 22. rujna 2017. astrofizički neutrino s ekstremnom energijom od 290 teraelektronvolta (tera je bilijun, a elektronvolt otprilike energija jednog fotona vidljive svjetlosti; za usporedbu: CERN protone može ubrzati najviše do energije od 6,5 teraelektronvolta).

Nakon dojave o toj detekciji su gama-teleskop na satelitu Fermi i teleskopi MAGIC opazili pojačanu aktivnost gama-zračenja iz istog izvora. Bila je to snažna potvrda mehanizma kojim u mlazovima blazara istodobno nastaju razni kozmički glasnici ogromnih energija, između ostalih i astrofizički neutrini.

Kozmički glasnici: fotoni, neutrini, kozmičke zrake

Bez opažanja nema astronomije. No opažanje, samo po sebi, nije cilj. Opažanje je sredstvo za postizanje cilja, a cilj je razumijevanje. Astronomi opažaju eda bi razumjeli svemir, da bi shvatili kako se i zašto nešto događa. Čestice koje dolaze iz svemira i koje opažamo različitim instrumentima na Zemlji, i u orbiti oko Zemlje, samo su glasnici koji nam donose informacije o dalekim kozmičkim objektima i procesima koji se u tim objektima zbivaju. Konkretno, astrofizičke neutrine ne detektiramo na Zemlji zato što to možemo ili zato što nas to veseli, nego zato što nas zanima što nam imaju za reći: odakle dolaze i kako su nastali.

Objekt iz kojega je IceCube detektirao spomenuti neutrino od 290 TeV je već spomenuti blazar. Kao i srodni mu kvazar, blazar je aktivna galaktička jezgra čije je zračenje vrlo kolimirano. To znači da nije izotropno (jednako u svim smjerovima kao kod, primjerice, Sunca) nego usko usmjereno u dva nasuprotna snopa koja astrofizičari nazivaju relativističkim mlazovima. Pridjev relativistički znači da su čestice u njemu relativističke odnosno da im je energija tako velika da se gibaju praktički brzinom svjetlosti.

Od ranije smo znali da u mlazovima nastaju gama-zrake ili fotoni visokih i vrlo visokih energija. No nismo bili sigurni kojim mehanizmom nastaju. Predloženi modeli nastanka visokoenergijskih fotona grubo su se mogli podijeliti u dvije klase: na leptonske modele (koji nastanak fotona tumače ubrzavanjem leptona, u prvom redu elektrona) i hadronske modele (koji nastanak fotona tumače ubrzavanjem hadrona, u prvom redu protona). Hadronski modeli predviđaju da osim fotona u relativističkim mlazovima blazara nastaju i protoni visokih energija – što su zapravo kozmičke zrake – i astrofizički neutrini. No, hadronski modeli astrofizičarima nisu bili baš dragi zato što dotad nije bilo pouzdano locirano mjesto odakle dolaze astrofizički neutrini, niti je to mjesto bilo povezano s mjestom odakle dolaze visokoenergijski fotoni. Dotad. A onda se, 2017. godine, dogodio rujanski neutrino. Na scenu je stupio IceCube.

Neutrinski opservtorij IceCube

Svaki od tri spomenuta instrumenta zavređuje svoj tekst na Bugovom portalu i nadam se da će ga u skoro vrijeme i dobiti. Ovdje ću, radi potpunosti, svakome posvetiti tek paragraf. S obzirom da glavnu ulogu u ovoj priči igra jedan neutrino, onda prvi na scenu stupa IceCube. IceCube je neutrinski opservatorij smješten na Južome polu. Sastoji se od 5160 kuglastih optičkih senzora promjera 35 cm. Da, to su one kugle s naslove slike koje vise na nitima. Na svakoj od 86 niti visi po 60 tih kuglastih senzora raspoređenih u obujam od otprilike jednog kubičnog kilometra. Ali onaj plavi materijal oko kugli nije ni zrak ni voda. To je antarktički led. Senzori su smješteni duboko u led, od 1450 m do 2450 m dubine. Postavljeni su tako da su najprije, pomoću vruće vode pod tlakom, izdubljene rupe u koje je potom spuštena nit dugačka 2,5 km sa 60 detektora. Voda se vrlo brzo smrzla i detektori su ostali zauvijek duboko pod ledom Južnoga pola. Najfascinatnije je ipak da taj opservatorij smješten na južnoj hemisferi opaža neutrine koji dolaze s neba iznad sjeverne hemisfere, drugim riječima gleda sjeverno nebo kroz cijelu Zemlju. Neutrinima, naime ne Zemlja smeta. Većina njih prolazi i kroz Zemlju i kroz opservatorij IceCube kao da ne postoje. Samo gdje-gdje koji od njih zaglavi na svojem putu. Onaj koji interakciju doživi baš u ledu između kuglastih optičkih senzora biva detektiran. Sve u svemu, astrofizičkih neutrina godišnje bude ulovljeno oko 100, u prosjeku svaka tri-četiri dana po jedan. Jedan ali vrijedan. Posebno je vrijedan bio onaj od 22. rujna 2017.

Detektor LAT na satelitu Fermi

Odmah po detekciji tog rujanskog neutrina IceCube je poslao znak za uzbunu teleskopima širom svijeta s kojima ima dogovor o suradnji. Uzbuna se posebno odnosila na detektore kozmičkih gama-zraka zato što bi bljesak gama-zraka iz tog smjera mogao značiti važnu potvrdu mehanizma nastanka svih spomenutih visokoenergijskih glasnika. Vodeći instrument za detekciju gama-zraka visokih energija u orbiti oko Zemlje je satelit Fermi. Jedan od njegovih detektora, LAT (što je akronim za Large Area Telescope ili Teleskop velike detekcijske površine), idućih je dana opazio bljeskove gama-zraka iz istog smjera iz kojega je došao i neutrino. Svoje otkriće objavio je 28. rujna 2017.

Teleskopi MAGIC

Igru su preuzela dva zemaljska teleskopa za kozmičke gama-zrake vrlo visokih energija, teleskopi MAGIC smješteni na vrhu kanarskog otoka La Palma. Oni su od 28. rujna do 3. listopada 2017. pratili blazar TXS 0506+056 te na temelju tih opažanja s vrlo visokom pouzdanošću potvrdili detekciju. Time su prvi put potvrđeni hadronski modeli nastanka visokoenergijskih gama-zraka u mlazovima blazara što je značilo ne samo da blazari stvaraju astrofiziče neutrine nego i da stvaraju kozmičke zrake, uglavnom protone, najviših energija – od bilijardu elektronvolti (što znači da kozmički akceleratori stvaraju protone tisuću puta veće energije od najsnažnijeg zemaljskog akceleratora, LHC-a na CERN-u). Nismo dakle saznali samo izvor kozmičkih neutrina nego smo, onako usput, riješili i misterij izvora kozmičkih zraka, zagonetku staru više od 100 godina. O teleskopima MAGIC pisat ću više u nekom od idućih tekstova. Za kraj mogu reći da je ovaj tekst napisan u upravljačkoj kućici opservatorija MAGIC. Pozdrav s La Palme.

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodne kolaboracije MAGIC, čiji su Čerenkovljevi teleskopi smješteni na kanarskom otoku La Palmi, i međunarodne kolaboracije CTA, čiji se teleskopi tek grade na La Palmi i Paranalu.  Glavni je urednik časopisa Priroda te autor knjiga "Protiv nadnaravnoga" i "Ažurirani svemir".