CsillagászatA fekete lyuktól a Déli-sarkig – Kozmikus részecskegyorsító

Nemzetközi összefogással először sikerült igazolni, hogy egy négymilliárd fényév távolságra lévő szupernagy tömegű fekete lyuk kozmikus részecskéket gyorsít. A csillagászat új korszakba lépett. 2017 szeptemberében egy parányi, semleges elemi részecske – egy neutrínó – a Déli-sark jegében ért négymilliárd éve tartó útjának végére. A neutrínó által keltett jelet rögtön észlelték is az IceCube neutrínódetektor mérőberendezései. Az adatokból pedig azt is meg lehetett határozni, hogy az égbolt melyik területéről érkezhetett a nagy energiájú kozmikus részecske. A...

Nemzetközi összefogással először sikerült igazolni, hogy egy négymilliárd fényév távolságra lévő szupernagy tömegű fekete lyuk kozmikus részecskéket gyorsít. A csillagászat új korszakba lépett.

2017 szeptemberében egy parányi, semleges elemi részecske – egy neutrínó – a Déli-sark jegében ért négymilliárd éve tartó útjának végére. A neutrínó által keltett jelet rögtön észlelték is az IceCube neutrínódetektor mérőberendezései. Az adatokból pedig azt is meg lehetett határozni, hogy az égbolt melyik területéről érkezhetett a nagy energiájú kozmikus részecske. A detektortól szétküldtek egy riasztást, aminek hatására teleszkópok és műholdak sokasága kezdte vizsgálni a meghatározott égterületet, és sikeresen meg is találták a neutrínó forrását: egy szupernagy tömegű fekete lyukat. A fekete lyuk épp nagy mennyiségű kozmikus gázt vonz magához a környezetéből, aminek egy részét extrém, relativisztikus sebességre gyorsítja és kilöki, pont a Föld irányába (5. ábra). Az ilyen fekete lyukat az asztrofizikusok blazárnak hívják. A gáz elnyelése közben a blazár az elektromágneses színkép egészében világít, amit a nagy energiájú gamma-sugaraktól a rádiótartományig sikerült érzékelni. Ezzel a megfigyeléssel egyértelművé vált, hogy valóban a TXS 0506+056 névre keresztelt blazár bocsátotta ki az Antarktiszon elcsípett neutrínót. De mik is azok a neutrínók, és miért olyan fontos ez a mostani felfedezés?

Elemi részecskék az űrből

Több mint száz éve, 1912-ben fedezték fel, hogy a világűrből folyamatosan záporoznak a Földre elemi részecskék, például protonok és elektronok, amelyek az anyag legkisebb építőkövei. Már 1912-ben lehetett tudni, hogy az észlelt nagy energiájú részecskék a Naprendszeren kívülről érkeznek, mivel számuk nem csökkent a napfogyatkozások alkalmával sem. Ráadásul ez a kozmikus zápor minden irányból jön: nem lehet egy konkrét irányt kijelölni, így a forrásuk is kérdéses maradt. A felfedezés érdekességét tovább növelte, hogy az érzékelt részecskék energiája messze meghalad bármit, amit az emberiség képes előállítani. A jelenlegi legmodernebb részecskegyorsítóban, a svájci Nagy Hadronütköztetőben (Large Hadron Collider, LHC) elérhető legnagyobb energiáknál egymilliárdszor nagyobb energiájú kozmikus részecskéket rendszeresen meg lehet figyelni. Egy kozmikusan gyorsított proton mozgási energiája elérheti akár egy erősen elütött teniszlabda energiáját is. Valamilyen hatalmas kozmikus részecskegyorsítóra kell tehát gyanakodnunk. Milyen folyamat lehet vajon az, amely ekkora energiákra képes felgyorsítani ezeket a részecskéket? A mostani felfedezésig kellett várni a rejtély megválaszolására. A válasz megtalálását nehezítette, hogy a protonok és elektronok töltött részecskék, így kölcsönhatnak a csillagközi mágneses térrel. Ez a kölcsönhatás folyamatosan változtatja a részecskék haladási irányát, így azok hosszú, kanyargós úton érnek csak a Földre, lehetetlenné téve annak meghatározását, hogy honnan is jöttek. A neutrínókkal más a helyzet, hiszen ezek elektromosan semleges részecskék, melyek így háborítatlanul tudnak nagy távolságokat – akár sok milliárd fényévet is – utazni a világegyetemben. Neutrínók detektálása esetén tehát lehetségessé válik a forrás meghatározása. Azonban az, hogy a neutrínók nagy távolságokat tudnak utazni bármilyen kölcsönhatás nélkül, a detektálásukat is rendkívül megnehezíti, mivel a detektorral sem akarnak kölcsönhatni. A legtöbb neutrínó még a Föld anyagán is gond nélkül áthalad. De hogyha ennyire nehezen hatnak kölcsön az anyaggal, hogyan lehetséges mégis megfigyelni őket?

Jégbe zárt detektorok

Napjaink legérzékenyebb neutrínódetektora a mostani felfedezésben is kulcsszerepet játszó IceCube, amely az Amundsen-Scott déli-sarki kutatóállomáson működik. A felszínen található az IceCube Laboratórium (1. ábra), amely a detektorok adatait gyűjti és továbbítja. A detektorok maguk mélyen az Antarktisz jegében helyezkednek el: összesen körülbelül 6000 darab,, melyek


Az 1930-as években a nukleáris béta-bomlás megfigyelésekor a kutatók észrevették, hogy nem teljesül a reakcióban az energia- és a lendületmegmaradás. Pauli vetette fel, hogy ha a reakcióban keletkezik egy „láthatatlan” részecske is, akkor mégis teljesülhetnek ezek az univerzális megmaradási tételek. Ahhoz, hogy a kísérletekben ne lehessen kimutatni a részecskét, annak elektromágnesesen semlegesnek és közel nulla tömegűnek kell lennie. Innen kapta a kor egyik meghatározó olasz fizikusa, Fermi révén a nevét az új részecske: a neutrino olaszul kicsi semleges-t jelent.


a jégbeli kölcsönhatásokat figyelik; a legmélyebben lévők 2500 méteres mélységben találhatóak. Együttesen egy köbkilométer, vagyis mintegy egymilliárd tonna jeget kémlelnek folyamatosan. Ha egy neutrínó ebben a térfogatban vagy a környékén kölcsönhat valamelyik vízmolekula egy protonjával vagy neutronjával, akkor egy másik elemi részecske keletkezik, mint például az elektron nehezebb rokona, a müon. Az ilyen müon energiája olyan nagy lehet, hogy a sebessége túllépi a közegbeli fénysebességet.

1. ábra. A jég felett az IceCube Laboratórium épülete, alatta pedig a jégbe fúrt detektorok művészi ábrázolása. (Forrás: IceCube/NSF)

Ekkor pedig hasonló dolog történik, mint amikor egy repülőgép túllépi a hangsebességet: a repülőgép esetén hangrobbanást hallunk, a müonok esetén pedig egy fényfelvillanást tapasztalunk, amelyet Cserenkov-sugárzásnak hívunk. Ugyanez a jelenség okozza az atomreaktorok sejtelmes kékes színű derengését is. Az IceCube detektorai ezt a fényt képesek észlelni (2. ábra). A különböző detektorok által érzékelt fényintenzitásból meg lehet határozni az eredeti neutrínó energiáját, valamint azt is, milyen irányból, az égbolt melyik részéről érkezett.


A sebesség abszolút határa a vákuumbeli fénysebesség; ha valamilyen közegben halad a fény, akkor ennél lassabban fog mozogni, így egy nagyon gyors részecske akár meg is előzheti.


A Földön érzékelhető legtöbb nagy energiájú neutrínó akkor keletkezik, amikor kozmikus részecskék a levegő molekuláival ütköznek. Az IceCube kutatói 2013-ban jelentették be, hogy sikerült bizonyíthatóan kozmikus eredetű neutrínókat is találni, azonban akkor még nem sikerült ezek forrását is egyértelműen beazonosítani.

2. ábra. A 2017. szeptember 22-i IceCube neutrínóészlelés grafikája. A piros nyíl a detektorok (színes vagy fehér gömbök) között jobbról balra végighaladó müon útját mutatja. A beszínezett detektorok észlelték a müon Cserenkov-sugárzásának fényét; az első detektor észleléséhez képesti időkésést a színezés jelzi. Minél nagyobbak a gömbök, annál intenzívebb sugárzást regisztrált az adott detektor. (Forrás: IceCube/NSF)

Jelkeresés égen-földön

Egy neutrínó érzékelése önmagában még nem elegendő ahhoz, hogy a forrást is azonosítani lehessen. Ehhez más jellegű információra is szükség van, például a kozmikus jelenség elektromágneses észlelésére. A Fermi-űrteleszkóp csapata volt az első, amelynek sikerült azonosítania a forrást. A Fermi a nagy energiájú elektromágneses sugárzás, a gamma-sugárzás tartományában vizsgálja az univerzumot, és 3 óránként a teljes égboltról felvételt készít. Ezen mérések során azonosították a TXS 0506+056 nevű blazárt is, amelynek iránya megegyezett az IceCube által érzékelt neutrínó irányával. Ráadásul a blazár éppen nagymértékben felfényesedett a gamma-tartományban a neutrínó érkezése előtti hónapokban. A Fermi már egy évtizede gyűjt adatokat erről a forrásról, aminek eddig a mostani volt a legnagyobb felfényesedése. Az égitest körülbelül 4 milliárd fényév távolságra van tőlünk, ami azt jelenti, hogy a közel fénysebességgel haladó neutrínó 4 milliárd évet kellett utazzon a világűrben, amíg elért a Földre. A blazár a téli égbolt egyik leglátványosabb csillagképében, az Orionban található (3. ábra).

3. ábra. A TXS 0506+056 blazár pozíciója (kék körrel jelölve) az Orion csillagképben. (Forrás: IceCube/NASA)

Az első beazonosítást követően több műszerrel is sikerült kimutatni a felfényesedést a gamma-tartományban, például a Kanári-szigeteken lévő MAGIC és a namíbiai HESS teleszkópokkal. Emellett pedig az elektromágneses spektrum alacsonyabb energiájú részeiben, röntgenben, látható fényben illetve rádiótartományban vizsgálva is szokatlanul fényesnek észlelték a blazárt. A felfedezésben több mint 20 obszervatórium vett részt a Föld minden táján és a világűrben is (4. ábra), amely egyértelműen mutatja, hogy az ehhez hasonló, szisztematikus keresőmunkát igénylő felfedezések nem nélkülözhetik az országokon és kutatócsoportokon átívelő együttműködéseket. Azt, hogy tényleg a megfigyelt blazár a neutrínó forrása, az IceCube korábbi adatai is alátámasztják. 2014 és 2015 között már észleltek nagy energiájú neutrínókat ugyanerről az égterületről, így valószínűsíthető, hogy a blazár időnként nagy mennyiségű neutrínót bocsát ki.

4. ábra. A felfedezésben részt vevő teleszkópok és műholdak. Kék színnel vannak jelölve azok a detektorok, ahol észleltek jelet, lilával pedig azok, ahol nem. (Forrás: Nicolle R. Fuller, NSF, IceCube)

Aktív galaxismagok

A neutrínó forrásaként tehát egy blazárt azonosítottak a kutatók. De mi is ez az objektum tulajdonképpen? A blazár az aktív galaxismagok egy fajtája. Majdnem minden galaxis közepén található egy szupernagy tömegű fekete lyuk, amely akár több milliárdszor akkora is lehet, mint a Nap. Ha ebbe a fekete lyukba folyamatosan anyag hullik – gáz, por, vagy akár csillagok – akkor nevezzük aktívnak a galaxis magját, mivel a fekete lyukba hulló, illetve a körülötte korongba tömörödő anyag jelentősen felfényesedik, ami akár a teljes galaxis fényét is túlragyoghatja. A fekete lyuk a kialakuló gázkorongra párhuzamosan két irányba rendkívül energikus plazmakilövelléseket, ún. jeteket bocsáthat ki; ezek keletkezésének a pontos mechanizmusa ma is aktívan kutatott terület. Ha az egyik ilyen jet pont a Föld felé irányul, akkor a forrást jelentősen fényesebbnek látjuk, és ekkor hívjuk az objektumot blazárnak. A blazárok jetjében fénysebességhez közeli sebességekre gyorsulnak a töltött részecskék. A protonok kölcsönhatása a jetekben aztán neutrínókat hoz létre, így a neutrínók észlelése egyértelmű jele a felgyorsított protonoknak (5. ábra).

5. ábra. Egy blazár művészi ábrázolása. A Föld felé kilövellő jetben neutrínók (ν) illetve nagy energiájú fotonok (γ) is keletkeznek. (Forrás: IceCube/NASA)

Többcsatornás csillagászat

Az emberiség ősidők óta vizsgálja a világegyetemet a látható fény segítségével: a látás a legtermészetesebb módja a minket körülvevő világ megismerésének. 1932-ben történt az első csillagászati megfigyelés, amely nem a látható fény útján szerzett információkat: Karl Jansky antennák segítségével a Tejút rádiósugárzását észlelte. A rádiócsillagászat azóta igen fontos tudományterületté nőtte ki magát, és egészen új típusú objektumokat sikerült megfigyelni a segítségével. Ezt követően pedig a csillagászat elkezdte meghódítani az elektromágneses színkép további tartományait is: ma már a színkép szinte egészén képesek vagyunk vizsgálni a világegyetemet, ezáltal sokkal összetettebb és pontosabb képet kaphatunk világunkról. Ebben az évtizedben több áttörést is sikerült elérni. A nagy energiájú neutrínók és a gravitációs hullámok első közvetlen detektálásának köszönhetően a kozmikus sugárzás tanulmányozása is rohamos léptekben halad, így egészen új távlatok nyíltak meg a csillagászok előtt: immár az elektromágneses sugárzások mellett gravitációs hullámokkal, neutrínókkal és kozmikus részecskékkel is képesek vagyunk tanulmányozni az univerzumot, amely olyan, mintha új érzékszerveket kapna az emberiség a világ megismerésére. Az igazán jelentős felfedezéseket az eredményezheti majd, ha ugyanazt az égi forrást egyszerre többfajta információhordozó segítségével is képesek vagyunk megfigyelni, amelyek esetleg a forrás különböző részeiről jönnek, és különböző tulajdonságokra következtethetünk az észlelésükből. Ezt hívjuk többcsatornás csillagászatnak. Eddig három alkalommal sikerült többcsatornás észlelést megvalósítani, ebből kettő 2017-ben történt: joggal mondhatjuk hát, hogy új korszakába lépett a csillagászat. Az első többcsatornás megfigyelés 1987-ben történt, amikor a Tejút egyik kísérőgalaxisában, a Nagy Magellán-felhőben felrobbant egy szupernóva. Az eseményt a hagyományos távcsövek mellett a neutrínódetektorok


Mivel a blazárok távoli galaxisokban helyezkednek el, a fényüket az égbolton – a csillagokhoz hasonlóan – pontszerűnek látjuk. Fényességük viszont folyamatosan változik, így kezdetben a csillagászok változócsillagoknak gondolták őket. Csak az 1950-es években sikerült megmérni ezeknek az égitesteknek a távolságát, amely jóval nagyobbnak bizonyult, mint a Tejútrendszer mérete, így nyilvánvalóvá vált, hogy nem lehetnek egyszerű csillagok. Ha viszont ilyen távol vannak, és mégis látjuk őket, akkor valami igazán extrém folyamatnak kell lezajlania bennük. Így alakult ki végül az a kép, hogy a blazárok is az aktív galaxismagok népes családjához tartoznak, mint például a kvazárok, vagy a rádiógalaxisok.


is megörökítették: három különböző detektor is észlelt neutrínókat szinkronban; a legtöbbet, 12 darabot a japán Kamiokande. 2017. augusztus 17-én történt a második többcsatornás megfigyelés: a két amerikai LIGO gravitációshullám-detektor és a Fermi-űrteleszkóp gyakorlatilag egyidőben észlelte ugyanazon forrás jeleit, majd közel 70 obszervatórium riasztásával sikerült a jel forrását is megtalálni: két neutroncsillag ütközött össze egy 140 millió fényévre lévő galaxisban. A harmadik többcsatornás felfedezés pedig a mostani, amelyben neutrínókat és elektromágneses sugárzást sikerült ugyanabból a forrásból észlelni. Mindhárom ilyen felfedezéssel fontos új ismereteket szerezhettünk, így nagy reményekkel várhatjuk a közeljövő újabb többcsatornás észleléseit.

Dálya GergelyBartos Imre

 

Irodalom

  • Science, Vol. 361, Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert
  • Science, Vol. 361, Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A
  • Borítókép: Művészi illusztráció az antarktiszi jégben lévő IceCube detektorairól. (Forrás: Jamie Yang, IceCube)

A cikk a Természet Világa 2018. novemberi (149. évf. 11. sz.) számában jelent meg.

Természet Világa