Genombrott i Antarktis: extrema partiklarnas källa avslöjas

I över hundra år har astronomer sökt efter ursprunget till den kosmiska strålningen. Under den gångna veckan publicerades en artikel i Science med de första exakta mätningarna av en sådan källa, där ursprunget spårats till en avlägsen blazar. Observationen gjordes med neutrinodetektorn IceCube i Antarktis under september 2017, och är den hittills största framgången för projektet.

– En dröm som går i uppfyllelse, säger Olga Botner, professor i fysik vid Uppsala universitet och medförfattare till artikeln.

Genom ett globalt samarbete har mätningarna snabbt kunnat verifieras av flera oberoende observatorier, vilket är en stor framgång för så kallad flerförmedlarastronomi. Nu studeras händelser långt bort i universum med hjälp av både ljus och andra förmedlare, i detta fall neutriner.

Genombrottet skedde den 22 september 2017 när forskare vid det kubikkilometer stora neutrino-observatoriet IceCube i Antarktis kristallklara is observerade en neutrino, skriver National Science Foundation i ett pressmeddelande (även hos Uppsala universitet). För IceCube markerar detta ytterligare en milstolpe i det drygt 30 år långa sökandet efter ursprunget till den kosmiska strålningen med de högsta energierna i universum, utöver mätningarna av två extremt högenergetiska neutriner år 2013. Just denna uppgift är en av de främsta anledningarna till att neutrinoobservatorier som IceCube har byggts, menar Olga Botner.

– Det rör sig om energier miljonfalt högre än de som vi kan åstadkomma med våra kraftfullaste acceleratorer här på jorden.

Inom loppet av några minuter efter observationen av neutrinon sändes källans koordinater till ett antal olika observatorier, vilka då kunde observera i samma riktning. Neutrinon spårades blazaren TXS 0506+056, även kallad The Texas source, som nu visat sig vara en av de mest ljusstarka källorna i universum. Den ligger 5,7 miljarder ljusår bort i stjärnbilden Orion. Blazarer är en typ av galaxkärnor som – tack vare ett supermassivt svart hål i centrum – sänder ut kraftfulla jetstrålar med laddade partiklar.

Två observatorier som används för observationer av gammastrålning, NASA:s rymdteleskop Fermi och MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes) på kanarieön La Palma, kunde – tack vare det snabba samarbetet med IceCube – i ett tidigt skede detektera ett utbrott av högenergetiska gammastrålar från samma källa varför forskarna kunde visa att blazaren utgör källan till neutrinon. Utbrottet visade sig även vara det hittills starkaste som observerats från TXS 0506+056 över det decennium av mätningar som gjorts med Fermiteleskopet. Sedan dess har mätningarna följts upp av ett tjugotal observatorier runtom i världen. Att källan till den kosmiska strålningen är en blazar bekräftar forskarnas förväntningar, menar Olga Botner.

– Blazarer har länge stått högt på listan över tänkbara objekt som skulle kunna skapa den mycket högenergetiska kosmiska strålningen som vi observerar, för att deras ’jets’ driver relativistiska partiklar direkt mot jorden. Partiklarna i den kosmiska strålningen är mest protoner och när de växelverkar med gas och stoft i närheten av blazaren bildas både högenergetiska neutriner och högenergetisk gammastrålning. Så det faktum att vi observerade båda delarna från just detta objekt stämmer med förväntningarna på en kosmisk högenergiaccelerator.

Kosmisk gammastrålning produceras antingen av accelererade elektroner eller protoner. Neutriner bildas däremot vid sönderfall av pioner, en process som sker när just protoner accelereras. Mätningarna som nu gjorts utgör alltså det första beviset för acceleration av protoner kring svarta hål, och därmed utgör observationen även det första konkreta belägget för källan till högenergetiska kosmiska neutriner.

IceCube-projektet har kantats av utmaningar under de cirka trettio år som gått sedan arbetet påbörjades. Först och främst är neutriner oerhört svåra att detektera, eftersom de sällan interagerar med annan materia. Det krävs därför konstant övervakning av ett mycket stort antal atomkärnor för att detektera en neutrino, berättar Olga Botner.

– IceCube observerar ett gigaton is, alltså 10³⁸ atomkärnor, berättar hon.

Fördelen med denna svaga interaktion är att en observerad neutrino rör sig opåverkad genom kosmos från källan till jorden. Men övervakningen kräver en enorm anläggning, och för att kunna konstruera en såpass stor detektor så är hela anläggningen infryst i djupt nere i den antarktiska glaciären vid Amundsen-Scott-basen. Detektorerna upptar en volym på en kubikkilometer. Olga Botner berättar att anläggningen därför är helt otillgänglig för reparationer och måste fungera 24/7. Sedan 1993 har Stockholms universitet och Uppsala universitet varit delaktiga i projektet.

– Vi byggde prototypen AMANDA och år 2001 visade vi med denna, att en isbaserad neutrinodetektor kunde identifiera de neutriner som den kosmiska strålningen skapar när den växelverkar med jordens atmosfär. Det fanns alltså utsikter till att neutrinoastronomi var möjlig! År 2010 var IceCube färdigbyggt och redan 2013 kunde vi visa att det finns ett flöde av högenergetiska neutriner med mycket högre energier än de från atmosfären, solen eller SN 1987A (en supernova i Tarantelnebulosan i det Stora magellanska molnet, reds. anm.). Dessa neutriner måste alltså nå oss från yttre rymden! Och nu har vi alltså för första gången identifierat en kosmisk accelerator.

Enligt Olga Botner har IceCube nu i och med den senaste upptäckten visat att vi kan observera universum på ett nytt sätt. De traditionella teleskopen observerar olika former av elektromagnetisk strålning, men nu kan vi alltså uppfatta helt andra fenomen menar hon.

– Så precis som med gravitationsvågorna öppnas det nu ett nytt fönster mot universum! Målet är nu att bygga ut IceCube till en tio gånger större volym för att öka på frekvensen av intressanta observationer.

Se klippet nedan från National Science Foundation för mer information om IceCube och de nya rönen.

Hur det är att jobba med astronomi i Antarktis? Läs Daniel Michaliks artikel Rapport från sydpolen i Populär Astronomi 2017/4.