Swift der NASA hilft Neutrino dabei, das Schwarze Loch mit Sternen zu zerreißen

Zum zweiten Mal haben Astronomen ein schwer fassbares Teilchen, das als hochenergetisches Neutrino bezeichnet wird, mit einem Objekt außerhalb unserer Galaxie verbunden. Mithilfe von boden- und weltraumgestützten Einrichtungen, darunter dem Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, verfolgten sie das Neutrino zu einem schwarzen Loch, das einen Stern zerreißt, einem seltenen katastrophalen Ereignis, das als Gezeitenstörungsereignis bezeichnet wird.

„Astrophysiker haben lange theoretisiert, dass die Störung von Gezeitenneutrinos hochenergetische Neutrinos verursachen kann, aber dies ist das erste Mal, dass wir sie tatsächlich mit Beobachtungsergebnissen in Verbindung bringen“, sagte Robert Stein, Doktorand am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY). ) sagte. ) Forschungszentrum in Zeuthen und Humboldt-Universität zu Berlin. „Aber es scheint, dass dieses spezielle Ereignis, AT2019dsg genannt, das Neutrino nicht erzeugt, wann oder wie wir es erwartet haben. Es hilft uns, besser zu verstehen, wie diese Phänomene funktionieren.“

Die Ergebnisse unter der Leitung von Stein wurden in der Ausgabe vom 22. Februar veröffentlicht. Natürliche Astronomie und ist online verfügbar. Neutrinos sind fundamentale Teilchen, die die Atome im Universum weit übertreffen, aber selten mit anderer Materie interagieren. Astrophysiker interessieren sich besonders für hochenergetische Neutrinos, die bis zu 1000-mal mehr Energie haben als die leistungsstärksten Teilchenimpaktoren der Erde. Sie glauben, dass die extremsten Ereignisse im Universum, wie heftige galaktische Eruptionen, Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Diese Teilchen kollidieren dann mit Licht oder anderen Teilchen, um hochenergetische Neutrinos zu erzeugen. Die erste bestätigte hochenergetische Neutrinoquelle, die 2018 angekündigt wurde, war eine Art aktive Galaxie, die als Jacke bezeichnet wird.

Gezeitenstörungsereignisse treten auf, wenn ein unglücklicher Stern zu nahe an ein Schwarzes Loch wandert. Gravitationskräfte erzeugen intensive Gezeiten, die den Stern in einem Gasstrom auseinander brechen. Der hintere Teil des Stroms entweicht aus dem System, während der vordere Teil zurückschwingt und das Schwarze Loch mit einem Trümmerspan umgibt. In einigen Fällen startet das Schwarze Loch sich schnell bewegende Teilchenstrahlen. Wissenschaftler haben angenommen, dass Gezeitenunterbrechungen hochenergetische Neutrinos in solchen Teilchenstrahlen verursachen würden. Sie erwarteten auch, dass die Ereignisse zu Beginn ihrer Entwicklung unabhängig vom Produktionsprozess der Partikel Neutrinos mit der höchsten Helligkeit ergeben würden.

AT2019dsg wurde am 9. April 2019 von der Zwicky Transient Facility (ZTF) entdeckt, einer Roboterkamera am Caltech Palomar Observatory in Südkalifornien. Das Ereignis fand mehr als 690 Millionen Lichtjahre entfernt in einer Galaxie namens 2MASX J20570298 + 1412165 im Sternbild Delphinus statt.

Im Rahmen einer routinemäßigen Nachuntersuchung von Gezeitenstörungen fordern Stein und sein Team mit Swift sichtbare, ultraviolette und Röntgenbeobachtungen an. Sie nahmen auch Röntgenmessungen mit den Satelliten- und Funkmessungen der Europäischen Weltraumorganisation XMM-Newton mit Einrichtungen vor, darunter Karl G. Janskys Very Large Array des National Radio Astronomy Observatory in Socorro, New Mexico, und das MeerKAT-Teleskop des Südafrikaners Radioastronomie-Observatorium.

Die Helligkeit kam und ging im Mai. Es erscheint kein klarer Strahl. Nach theoretischen Vorhersagen sieht AT2019dsg wie ein schwacher Neutrino-Kandidat aus.

Am 1. Oktober 2019 entdeckte das IceCube Neutrino Observatory der National Science Foundation an der Südpolstation Amundsen-Scott in der Antarktis ein hochenergetisches Neutrino namens IC191001A und führte es entlang seiner Umlaufbahn an einen Ort in der Luft zurück. Ungefähr sieben Stunden später bemerkte ZTF, dass der gleiche Himmel AT2019dsg enthielt. Stein und sein Team glauben, dass es nur eine Chance von 500 gibt, dass die Gezeitenstörung nicht das Neutrino ist. Da der Nachweis etwa fünf Monate nach Erreichen einer Spitzenhelligkeit des Ereignisses erfolgte, wirft er Fragen auf, wann und wie diese Ereignisse Neutrinos produzieren.

„Gezeitenstörungsereignisse sind unglaublich seltene Phänomene, die nur einmal alle 10.000 bis 100.000 Jahre in einer großen Galaxie wie unserer auftreten. Astronomen haben zu diesem Zeitpunkt nur wenige Dutzend beobachtet“, fügte Swift Chief Investigator S. Bradley Cenko hinzu Flug. Downtown Greenbelt, Maryland. „Messungen verschiedener Wellenlängen jedes Ereignisses helfen uns, mehr über sie als Klasse zu erfahren. Daher war AT2019dsg auch ohne eine anfängliche Neutrino-Detektion von großer Bedeutung.“

Beispielsweise erzeugen vorübergehende Störungen sichtbares und UV-Licht in den äußeren Bereichen ihrer heißen Wachstumsscheiben. In AT2019dsg schienen diese Wellenlängen nach Erreichen eines Peaks einen Peak zu erreichen. Dies war ungewöhnlich, da solche Hochebenen normalerweise erst nach einigen Jahren auftreten. Die Forscher vermuten, dass das monströse Schwarze Loch der Galaxie mit einer geschätzten 30-Millionen-fachen Sonneneinstrahlung die Sternreste dazu zwingen könnte, sich schneller in einer Scheibe niederzulassen als um ein weniger massereiches Schwarzes Loch.

AT2019dsg ist eine von nur einer Handvoll bekannter Röntgen-Gezeitenstörungen. Wissenschaftler glauben, dass die Röntgenstrahlen vom inneren Teil der Wachstumsscheibe in der Nähe des Schwarzen Lochs oder von Hochgeschwindigkeits-Teilchenstrahlen stammen. Die Röntgenstrahlen der Eruption verblassten 160 Tage lang um beispiellose 98%. Steins Team sieht keine eindeutigen Hinweise auf das Vorhandensein von Jets, sondern legt nahe, dass eine schnelle Abkühlung auf der Scheibe wahrscheinlich den Niederschlag in Röntgenstrahlen erklärt.

Nicht jeder stimmt dieser Analyse zu. Eine andere Aussage von Walter Winter von DESY und Cecilia Lunardini, Professorin an der Arizona State University in Tempe, legt nahe, dass die Emission von einem Jet stammt, der schnell von einer Schmutzwolke verdeckt wurde. Die Forscher veröffentlichten ihre alternative Interpretation in derselben Ausgabe der Naturastronomie.

Astronomen glauben, dass Radioemissionen in diesen Phänomenen von Teilchen stammen, die in Schwarzen Löchern beschleunigen und entweder in Strahlen oder mäßiger ausströmen. Steins Team glaubt, dass AT2019dsg in die letztere Kategorie fällt. Die Wissenschaftler entdeckten auch, dass die Radioemissionen monatelang anhalten und nicht mit dem sichtbaren und UV-Licht verblassen, wie zuvor angenommen.

Der Nachweis von Neutrinos in Verbindung mit Messungen bei mehreren Wellenlängen veranlasste Stein und seine Kollegen, zu überdenken, wie Gezeitenstörungen hochenergetische Neutrinos verursachen können.

Die Funkemission zeigt, dass die Teilchenbeschleunigung auch ohne klare, starke Strahlen stattfindet und gut bis zur maximalen UV-Strahlung und sichtbaren Helligkeit funktioniert. Stein und seine Kollegen schlagen vor, dass beschleunigte Partikel in drei verschiedenen Bereichen der Gezeitenstörung Neutrinos produzieren können: in der äußeren Scheibe durch Kollisionen mit UV-Licht, in der inneren Scheibe durch Kollisionen mit Röntgenstrahlen und im moderaten Abfluss von Partikeln durch Kollisionen. mit anderen Partikeln.

Steins Team vermutet, dass das Neutrino von AT2019dsg wahrscheinlich aus dem UV-hellen äußeren Teil der Scheibe stammt, da die Energie des Partikels mehr als zehnmal höher war als dies durch Partikelimpaktoren erreicht werden kann.

„Wir haben vorausgesagt, dass Neutrinos und Gezeitenstörungen zusammenhängen könnten, und da dies zum ersten Mal in den Daten sehr aufregend ist“, sagte Co-Autor Sjoert van Velzen, Assistenzprofessor an der Universität Leiden in den Niederlanden. „Dies ist ein weiteres Beispiel für die Kraft der Astronomie mit mehreren Botschaften, mit einer Kombination aus Licht, Partikeln und Falten im Weltraum, um mehr über den Kosmos zu erfahren. Als ich ein Doktorand war, wurde oft vorausgesagt, dass diese neue Ära der Astronomie dies tun würde Morgengrauen, aber es ist sehr lohnend, ein Teil davon zu sein. ‚

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Goddard verwaltet die Swift-Mission in Zusammenarbeit mit Penn State, dem Los Alamos National Laboratory in New Mexico und Northrop Grumman Innovation Systems in Dulles, Virginia. Weitere Partner sind die University of Leicester und das Mullard Space Science Laboratory in Großbritannien, das Brera Observatory und die italienische Weltraumbehörde in Italien.

Von Jeanette Kazmierczak

Goddard Space Flight Center der NASA, Greenbelt, Md.