Βυθισμένοι βαθιά στον πάγο της Ανταρκτικής βρίσκονται «μάτια» που μπορούν να βλέπουν υποατομικά σωματίδια, τα λεγόμενα «νετρίνα», και όσα έχουν παρατηρήσει προκαλούν απορίες στους επιστήμονες: ένα εξαιρετικά ισχυρό σήμα νετρίνων συνοδευόμενο από μια απίστευτα ασθενή εκπομπή γάμμα ακτίνων στον γαλαξία NGC 1068, γνωστός και ως ο «Κήτος Α».
Τα «μάτια» αυτά είναι μια συλλογή ανιχνευτών που έχουν τοποθετηθεί σε έναν κυβικό χιλιόμετρο πάγου και ονομάζονται IceCube Neutrino Observatory. Οι θεωρητικοί φυσικοί από το UCLA, το Πανεπιστήμιο του Οσάκα και το Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) χρησιμοποιούν τις παρατηρήσεις τους στον γαλαξία NGC 1068 για να προτείνουν έναν εντελώς νέο δρόμο παραγωγής νετρίνων.
Τι είναι τα νετρίνα;
Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια που αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με τη βαρύτητα και μπορούν να διαπεράσουν υλικά χωρίς να αλληλεπιδρούν σημαντικά. Αυτό τα καθιστά «ακόμα δυσκολότερα στην ανίχνευση» από άλλα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια.
Το «IceCube Neutrino Observatory» αποτελείται από 5.160 αισθητήρες που έχουν τοποθετηθεί σε καθαρό, συμπιεσμένο πάγο της Ανταρκτικής και αναζητούν γεγονότα που θα μπορούσαν να προκληθούν από νετρίνα κατά τη διαπεραστική τους πορεία μέσα στον πάγο, όταν αλληλεπιδρούν και δημιουργούν φορτισμένα σωματίδια.
«Έχουμε τηλεσκόπια που χρησιμοποιούν το φως για να βλέπουν αστέρια, αλλά πολλά από αυτά τα αστροφυσικά συστήματα επίσης εκπέμπουν νετρίνα», δήλωσε ο Alexander Kusenko, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο UCLA και ανώτερος ερευνητής στο Kavli IPMU.
«Για να δούμε τα νετρίνα, χρειαζόμαστε ένα διαφορετικό είδος τηλεσκοπίου και αυτό είναι το τηλεσκόπιο που διαθέτουμε στο Νότιο Πόλο»
Η ανακάλυψη νετρίνων από τον NGC 1068
Το «IceCube» ανίχνευσε πολύ ενεργειακά νετρίνα που προέρχονται από τον NGC 1068, συνοδευόμενα από μια ασθενή ροή γάμμα ακτίνων. Αυτό υποδηλώνει ότι αυτά τα νετρίνα ενδέχεται να έχουν παραχθεί με διαφορετικό τρόπο από ό,τι πιστεύαμε μέχρι τώρα.
Τα δεδομένα από τον NGC 1068 προκαλούν απορίες, διότι συνήθως, ενεργειακά νετρίνα από ενεργούς πυρήνες γαλαξιών θεωρείται ότι προέρχονται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και φωτονίων, παράγοντας γάμμα ακτίνες ανάλογης έντασης. Έτσι, τα ενεργειακά νετρίνα συνήθως συνδέονται με ενεργειακές γάμμα ακτίνες.
Ωστόσο, η εκπομπή γάμμα ακτίνων στον NGC 1068 είναι σημαντικά χαμηλότερη από ό,τι αναμενόταν και παρουσιάζει μια διακριτή διαφορετική μορφή φάσματος. Παραδοσιακά μοντέλα, που βασίζονται σε συγκρούσεις πρωτονίων και φωτονίων ή στην εκπομπή από την περιοχή του «κορώνα» του γαλαξία, έχουν χρησιμοποιηθεί για την εξήγηση τέτοιων σημάτων, αλλά αντιμετωπίζουν περιορισμούς, γεγονός που οδήγησε στην αναζήτηση νέων εξηγήσεων.
Μια νέα θεωρία
Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε στο «Physical Review Letters», ο Kusenko και οι συνεργάτες του προτείνουν ότι τα υψηλής ενέργειας νετρίνα από τον NGC 1068 προκύπτουν κυρίως από την αποσύνθεση νετρίνων, όταν πυρήνες ήλιου (ή αλλιώς ήλιο) στον γαλαξία διασταυρώνονται με υπεριώδεις ακτίνες σε μια διαδικασία που ονομάζεται «διάσπαση πυρήνων».
Όταν αυτοί οι πυρήνες ήλιου συγκρούονται με υπεριώδη φωτόνια από το κέντρο του γαλαξία, διασπώνται, απελευθερώνοντας νετρίνα από τα νετρίνα που σχηματίζονται από την αποσύνθεση αυτών των νετρίνων. Οι ενέργειες των νετρίνων αυτών ταιριάζουν με τα παρατηρούμενα δεδομένα.
Επιπλέον, ηλεκτρόνια που παράγονται από αυτές τις πυρηνικές αποσυνθέσεις αλληλεπιδρούν με τα περιβάλλοντα πεδία ακτινοβολίας, δημιουργώντας γάμμα ακτίνες που είναι συμβατές με την παρατηρούμενη χαμηλότερη ένταση. Αυτή η θεωρία εξηγεί με κομψό τρόπο γιατί το σήμα των νετρίνων υπερέχει δραματικά από την εκπομπή γάμμα ακτίνων και αποκαλύπτει τη διαφορετική ενεργειακή κατανομή και στα δύο είδη.
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης
Η πρόοδος αυτή βοηθά τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς οι κοσμικές άξονες (jets) σε ενεργούς γαλαξίες μπορούν να εκπέμπουν ισχυρά νετρίνα χωρίς ανάλογη φωτεινή γάμμα ακτινοβολία, φωτίζοντας τις άκρως ακραίες και πολύπλοκες συνθήκες γύρω από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, συμπεριλαμβανομένης αυτής στο κέντρο του δικού μας γαλαξία.
«Δεν γνωρίζουμε πολλά για την κεντρική, ακραία περιοχή κοντά στο κέντρο του NGC1068», δήλωσε ο Kusenko. «Αν επιβεβαιωθεί η θεωρία μας, θα μας δώσει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το περιβάλλον κοντά στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα».
Νέα προοπτική στη φυσική και αστροφυσική
Η εργασία προτείνει ότι αν ένας πυρήνας ήλιου επιταχύνεται στον «κορυφή» μιας υπερμεγεθούς μαύρης τρύπας, συγκρούεται με φωτόνια και διασπάται, απελευθερώνοντας δύο πρωτόνια και δύο νετρίνα που διασπώνται και δεν παράγουν γάμμα ακτίνες. Τα πρωτόνια μπορούν να φύγουν, ενώ τα νετρίνα, που είναι άστατα, διασπώνται σε νετρίνα χωρίς να παράγουν γάμμα.
«Το υδρογόνο και το ήλιο είναι τα δύο πιο συνηθισμένα στοιχεία στο διάστημα», ανέφερε ο πρώτος συγγραφέας και διδακτορικός φοιτητής του UCLA, Koichiro Yasuda.
«Αλλά το υδρογόνο έχει μόνο πρωτόνιο και αν αυτό συγκρουστεί με φωτόνια, θα παράγει και νετρίνα και γάμμα ακτίνες. Όμως, τα νετρίνα έχουν έναν επιπλέον τρόπο να σχηματίζουν νετρίνα χωρίς να παράγουν γάμμα. Έτσι, το ήλιο είναι η πιο πιθανή πηγή των νετρίνων που παρατηρούμε από τον NGC 1068»
Αυτή η δουλειά αποκαλύπτει την ύπαρξη κρυφών αστροφυσικών πηγών νετρίνων, των οποίων τα σήματα ενδέχεται να είχαν περάσει απαρατήρητα λόγω της ασθενικής γάμμα ακτινοβολίας.
Προοπτικές και μελλοντικές έρευνες
«Αυτή η ιδέα προσφέρει μια νέα προοπτική πέρα από τα παραδοσιακά μοντέλα κορώνας. Ο NGC 1068 είναι απλώς ένας από πολλούς παρόμοιους γαλαξίες στο σύμπαν και μελλοντικές ανιχνεύσεις νετρίνων από αυτούς θα βοηθήσουν στη δοκιμή της θεωρίας μας και στην αποκάλυψη της προέλευσης αυτών των μυστηριωδών σωματιδίων», δήλωσε ο συνεργάτης και καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Οσάκα, Yoshiyuki Inoue.
Όπως και ο NGC 1068 και ο δικός μας γαλαξίας διαθέτει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του, όπου η απίστευτα μεγάλη βαρύτητα και ενέργεια διαλύουν κυριολεκτικά άτομα. Η ανακάλυψη των νετρίνων έχει σημασία και για τον δικό μας γαλαξία. Αν και η κατανόηση της περιοχής αυτής δεν οδηγεί απευθείας σε βελτιώσεις στην ανθρώπινη ζωή, η γνώση που αποκτάται από την μελέτη των νετρίνων και της ακτινοβολίας γάμμα έχει την τάση να οδηγεί σε τεχνολογικές καινοτομίες.
Περισσότερες πληροφορίες: Koichiro Yasuda et al, «Neutrinos and Gamma Rays from Beta Decays in an Active Galactic Nucleus NGC 1068 Jet», *Physical Review Letters (2025)*. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.151005.
Σε arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2405.05247.
Ενημερωτικό υλικό: Physical Review Letters, arXiv.