O stea mărunțită de o gaură neagră poate să fi scuipat un neutrin extrem de energetic

Un neutrin care a intrat în gheața din Antarctica oferă un mesaj de avertizare: Nu vă abateți prea aproape de marginea unui abis.

Particula subatomică ar fi putut fi aruncată în exterior atunci când o stea a fost ruptă în bucăți în timpul unei întâlniri apropiate cu o gaură neagră, raportează fizicienii pe 11 mai pe arXiv.org. Dacă va rezista, rezultatul ar fi prima dovadă directă că astfel de evenimente de distrugere a stelelor pot accelera particulele subatomice la energii extreme. Și ar marca doar a doua oară când un neutrin de înaltă energie a fost urmărit până la originile sale cosmice.

Fără încărcătură electrică și masă foarte mică, se știe că neutrinii explodează în cosmos la energii mari. Dar oamenii de știință încă nu au depistat complet modul în care particulele devin atât de suc.

O sursă potențială de neutrini energetici este ceea ce se numește un eveniment de perturbare a mareelor. Când o stea se apropie prea mult de o gaură neagră supermasivă, forțele gravitaționale despart steaua (SN: 10/11/19). O parte din intestinele stelei spiralează spre gaura neagră, formând o clătită fierbinte de gaz numită disc de acreție înainte ca gaura neagră să înghită gazul. Alte bucăți din steaua condamnată sunt aruncate în exterior. Oamenii de știință au prezis că astfel de evenimente violente ar putea genera neutrini energetici precum cel detectat.

Descoperit la 1 octombrie 2019, micul neutrin a avut un impact: o energie de 200 de trilioane de electroni volți. Aceasta este de aproximativ 30 de ori mai mare decât energia protonilor din cel mai puternic accelerator de particule creat de om, Large Hadron Collider. Semnătura neutrinului a fost preluată de IceCube, un detector înghețat adânc în gheața antarctică. Acest detector detectează lumina produsă atunci când neutrinii interacționează cu gheața.

Când IceCube găsește un neutrin de înaltă energie, astronomii scrutează cerul pentru a căuta ceva neobișnuit în direcția din care provine particula, cum ar fi un fulger de lumină de scurtă durată sau tranzitorie pe cer. De data aceasta, astronomii de la Zwicky Transient Facility au venit cu o posibilă potrivire: un eveniment de perturbare a mareelor ​​numit AT2019dsg.

Observat pentru prima dată în aprilie 2019, acel eveniment a fost spionat emitând lumină de diferite lungimi de undă: vizibilă, ultravioletă, radio și raze X. Iar vâltoarea încă făcea furie când IceCube a detectat neutrino, potrivit unei echipe de fizicieni, inclusiv Marek Kowalski de la Deutsches Elektronen-Synchrotron, sau DESY, din Zeuthen, Germania.

Deși este intrigantă, asocierea dintre neutrin și steaua mărunțită nu este sigură, spune fizicianul IceCube Francis Halzen de la Universitatea din Wisconsin-Madison, care nu a fost implicat în noul studiu. „Nu știu dacă trebuie să pariez pe portofel, dar probabil că aș face-o”, spune Halzen. „Dar nu are mulți bani în el.”

Probabilitatea ca un neutrin și un eveniment similar de perturbare a mareelor ​​să se suprapună întâmplător este de doar 0,2%, raportează cercetătorii. Dar asta nu îndeplinește sarcina strictă a dovezii a fizicienilor. „Un singur eveniment este greu de convins [us] această sursă este într-adevăr un emițător de neutrini”, spune astrofizicianul Kohta Murase de la Universitatea Penn State. „Aștept mai multe date.”

Kowalski a refuzat să comenteze acest articol, deoarece lucrarea nu a fost încă acceptată pentru publicare într-o jurnal științific.

Pentru a fi născut un astfel de neutrin energetic, evenimentul de distrugere a stelelor trebuie să fi accelerat mai întâi protonii la energii înalte. Acei protoni trebuie să se fi prăbușit apoi în alți protoni sau fotoni (particule de lumină). Acest proces produce alte particule, numite pioni, care emit neutrini pe măsură ce se degradează.

Acum, oamenii de știință își propun să stabilească exact cum s-a întâmplat această accelerație. Protonii ar fi putut fi lansați într-un vânt de resturi care curgea spre exterior în toate direcțiile. Sau ar fi putut fi accelerate într-un jet puternic, asemănător unui gheizer, de materie și radiații.

AT2019dsg arată câteva caracteristici neobișnuite pe care orice explicație ar trebui să le poată explica. Razele X produse în acest eveniment, de exemplu, păreau să scadă rapid. Deci fizicienii WalterWinter de la DESY și Cecilia Lunardini de la Universitatea de Stat din Arizona din Tempe sugerează, pe 13 mai, pe arXiv.org, că evenimentul a produs un jet, dar că un cocon de material a învăluit treptat regiunea, ascunzând razele X de la vedere, permițând totuși neutrinului să scape. Lunardini a refuzat să comenteze deoarece lucrarea nu este încă publicată într-un jurnal.

Dar Murase susține că, pentru ca jetul să fie ascuns, asta înseamnă că nu poate fi un flux atât de puternic, ceea ce face dificilă explicarea neutrinului energetic în acest fel. „Dacă injectează multă energie, această energie iese”, spune el. Într-un al treilea studiu postat pe 18 mai pe arXiv.org, Murase și colegii sunt în favoarea ideii că protonii sunt accelerați într-un vânt care curge spre exterior sau într-o coroană, o regiune foarte fierbinte în apropierea discului de acreție al găurii negre.

Determinarea de unde provin aceste particule poate ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine unele dintre cele mai extreme medii din cosmos. Anterior, astronomii au combinat un neutrin energetic diferit cu un blazar care a experimentat o erupție (SN:7/12/18). Un blazar este o sursă strălucitoare de lumină alimentată de o gaură neagră supermasivă din centrul unei galaxii. Atât o explozie blazar, cât și un eveniment de întrerupere a mareelor ​​„sunt activități foarte speciale, adică atunci când se eliberează multă energie într-o perioadă mică de timp”, spune astrofizicianul. Ke Fang de la Universitatea Stanford, care nu a fost implicat în studiu.

Este esențial să faceți mai multe observații ale neutrinilor de înaltă energie, spune Fang. „Acesta este singurul mod prin care putem înțelege clar cum funcționează universul la această energie extremă.”