Az ultramagas energiájú kozmikus sugaraknak eddig ismeretlen volt az eredete. Most úgy tűnik, olyankor keletkeznek, amikor egy fekete lyuk lenyel egy egész csillagot.

A neutrínókból álló ultramagas energiájú kozmikus sugarak képviselik a legmagasabb energiájú ismert sugárzást a világegyetemben, mégis alig tudunk róluk valamit. A neutrínókat eleve nagyon trükkös dolog detektálni, és az ultramagas energiájú sugárzás eredetéről sem volt eddig általánosan elfogadott elmélet. A Nature Astronomy legfrissebb számában megjelent, több mint két tucat intézmény – köztük a New York-i Egyetem és a német DESY kutatóközpont – összefogásával készült tanulmány most azt állítja, hogy

a rekordenergiájú neutrínókat fekete lyukak által szétszaggatott csillagok bocsáthatják ki.

A neutrínók olyan szubatomi részecskék, amelyeket földi körülmények között leginkább csak részecskegyorsítóban lehet előállítani, és mind keletkezésük pillanatát, mind magukat a részecskéket igen nehéz megragadni, mivel kölcsönhatásaik térben nagyon korlátozottak és/vagy rendkívül gyengék, ezért a közönséges anyagon mindenféle akadályoztatás nélkül áthaladnak.

A kozmikus nagyenergiájú neutrínók eredete ismeretlen, elsősorban azért, mert ezeket a részecskéket híresen nehéz fülön csípni – mondta el Sjoert van Velzen, a cikk egyik vezető szerzője, aki a felfedezés idején a New York-i Egyetem fizika tanszékének posztdoktori ösztöndíjasa volt, jelenleg pedig a holland Leideni Egyetem munkatársa. – Eredményünk mindössze a második példa arra, hogy nagyenergiájú neutrínók forrását sikerül felderíteni."

Forrás: Wikimedia Commons

Az árapály-katasztrófa

Van Velzen korábbi kutatásai során Glennys Farrarral, a Nature Astronomy-cikk társszerzőjével együtt élen jártak az árapály-katasztrófának (tidal disruption event) nevezett jelenség feltárásában.

Az árapály-katasztrófa során egy fekete lyuk magába szippantja egy csillag anyagát, amely az ébredő gigantikus erők hatására szétszakad. „A gravitáció annál erősebb, minél közelebb vagyunk egy nagy tömegű objektumhoz. Emiatt a fekete lyuk gravitációja erősebben vonzza a csillag hozzá közelebb eső felét, mint a távolabbit, és a csillag ettől megnyúlik – fejtette ki Robert Stein, a DESY asztrofizikusa. – Ezt a különbséget nevezzük árapály-erőnek. Ahogy a csillag közeledik a fekete lyukhoz, az árapály-erő okozta nyújtás egyre extrémebb mértéket ölt, míg végül teljesen szétszakítja a csillagot; ekkor következik be az árapály-katasztrófa. A hatás pont ugyanaz, ami a Földön az óceánok árapály-ingadozását okozza, csak szerencsére a Hold nem húz minket olyan erősen, hogy széttépjen."

Van Velzen és Farral megelőző munkája alapozta meg a mostani vizsgálatot, melynek során azt a kérdést vetették fel, hogy az árapály-katasztrófa lehet-e felelős az ultramagas energiájú sugarak létrehozásáért. Az USA Nemzeti Tudományos Alapja által fenntartott, a Déli-sark közelében működő IceCube Neutrínó Obszervatórium korábban jelezte egy neutrínó észlelését, amelynek forrását később a Kaliforniai Technológiai Egyetem (Caltech) Palomar Obszervatóriuma azonosította.

A mérések térbeli egyezést mutattak a nagyenergiájú neutrínó forrása és egy árapálykatasztrófa-esemény által kibocsátott fény között.

"Ez azt sugallja, hogy a csillagokat beszippantó folyamat elegendő erővel bír ahhoz, hogy ultramagas energiára gyorsítson részecskéket" – magyarázta van Velzen.

„Az árapály-katasztrófákkal összekapcsolható neutrínók felfedezése áttörést jelent a déli-sarki IceCube detektor által azonosított nagyenergiájú kozmikus neutrínók eredetének tisztázásában, ami eddig rejtély volt – teszi hozzá Farrar, aki már egy 2009-es cikkében felvetette, hogy az ultramagas energiájú neutrínókat talán az árapály-katasztrófák hozzák létre. – A ultragyors neutrínók és az árapály-katassztrófák egybeesése egy több évtizedes kérdést válaszol meg."

Forrás: National Science Foundation

700 millió éve volt úton

A rejtélyt megoldó neutrínó nagyjából 700 millió évet utazott felénk abból a halálra ítélt csillagból, amely túlságosan közel került a galaxisa középpontjában megbúvó szupermasszív fekete lyukhoz. A fekete lyuk tömegét a tudósok a naptömeg 30 milliószorosára becsülik. A távoli galaxisban bekövetkezett árapály-katasztrófa során a széteső csillag törmelékének nagyjából fele kilökődött az űrbe, a másik fele viszont örvénylő akkréciós korongot alkotott a fekete lyuk körül, kicsit hasonlóan ahhoz, ahogy a víz örvénylik a fürdőkád lefolyója körül. Mielőtt alábukott volna az enyészetbe, az egyre őrültebb tempóban örvénylő akkréciós korong felforrósodik, és ragyogó fényt bocsát ki magából. Ezt észlelte először a kaliforniai Palomar-hegyen álló Zwicky Transient Facility obszervatórium 2019 áprilisában.

Fél évvel később, 2019 októberében a déli-sarki IceCube neutrínódetektor egy extrém magas energiájú neutrínót jelzett, amely a szétszakadt csillag irányából érkezett. Elképesztő, több mint 100 teraelektronvoltos energiával csapódott az antarktiszi jégbe – ismertette Anna Franckowiak, a DESY munkatársa és a cikk társszerzője. – Összehasonlításul: a Genf közelében működő Nagy Hadronütköztető, a CERN európai részecskefizikai laboratóriumának részecskegyorsítója a legerősebb a világon, de az általa előállított legenergetikusabb részecske is legfeljebb a tizedével rendelkezik ennek az energiának."

A neutrínók annyira elenyésző tömeggel rendelkeznek, és ezért annyira nem lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, hogy nemcsak a falakon, de komplett bolygókon és csillagokon is akadálytalanul áthaladnak. Ezért a sokszor szellemrészecskének is aposztrofált neutrínókból már egyetlen darab fülön csípése is jelentős eredmény.