Ström av neutriner från annan galax upptäckt

För första gången har en ihållande källa till neutriner observerats utanför Vintergatan. Projektet IceCube vid sydpolen kan, efter nio år av observationer, visa att galaxen Messier 77 i stjärnbilden Valfisken är en neutrinokälla. Neutriner är mycket svåra att stoppa och dessa partiklar kan därför ge oss ovärderlig kunskap om platser i universum som vi annars inte kan undersöka.

Jorden träffas ständigt av energirika partiklar från rymden, så kallad kosmisk strålning. Främst handlar det om väte- och heliumkärnor. Partiklarna med mest energi kommer från platser utanför solsystemet och förmodligen även från platser bortom vår galax, Vintergatan. Den kosmiska strålningen upptäcktes i början av 1900-talet men strålningens ursprung har till stor del förblivit en gåta. De mest energirika partiklarna i den kosmiska strålningen har energier som är hundra miljoner gånger större än vad de mest kraftfulla partikelacceleratorerna på jorden kan åstadkomma.

Idéer om strålningens källor finns: Supernovor (exploderande stjärnor) och omgivningarna runt supertunga svarta hål har föreslagits. Eftersom partiklarna i den kosmiska strålningen har elektrisk laddning påverkas deras rörelse av Vintergatans magnetfält, vilket gör det omöjligt att avgöra i vilken riktning de har sitt ursprung. Om vi kunde ta reda på varifrån den mest energirika kosmiska strålningen kommer skulle vi få ny kunskap om några av universums mest våldsamma platser.

Neutriner visar vägen

Här kan neutriner vara till hjälp. En neutrino har extremt liten massa, saknar elektrisk laddning och kan passera opåverkad rakt genom jorden. Neutriner alstras ständigt i stor mängd bl.a. genom kärnprocesserna i stjärnornas inre, och en kvadratcentimeter på jordytan träffas varje sekund av flera miljarder neutriner från solen. De platser där energirik kosmisk strålning alstras förväntas också vara ymniga neutrinokällor.

Medan kosmisk strålning böjs av på sin väg till oss går neutriner raka vägen, vilket gör det lättare att koppla neutrinerna till en viss källa på himlavalvet. Det stora problemet för en observatör är att neutriner är väldigt svårfångade, men med tålamod och mycket vatten kan de observeras.

Det glimmar i glaciärisen

Chansen att en neutrino ska påverka sin omgivning är liten, men inte noll. En vanlig typ av neutrinodetektor använder en stor vattenvolym omgiven av ljusdetektorer. I de sällsynta fall då en neutrino stöter på en atomkärna i vattnet alstras partiklar som i sin tur ger upphov till s.k. tjerenkovstrålning (i blått eller ultraviolett ljus).

IceCube, världens största neutrinoobservatorium, byggdes klart vid sydpolen 2010. Det är ett internationellt samarbete, där forskare i Stockholm och Uppsala ingår. En kubikkilometer av glaciärisen övervakas där med 5160 ljusdetektorer, som sänkts ned i isen. Med dessa detektorer spåras tjerenkovstrålning på jakt efter de sällsynta tillfällen då en energirik neutrino från rymden bortom solsystemet passerar genom isen. Bland annat kan färdriktningen och energin hos neutrinerna mätas.

IceCube tittar ”neråt”, mot norra stjärnhimlen, i den riktning där instrumenten är känsligast för neutriner från kosmos. På det hållet fungerar dessutom hela jorden som en naturlig sköld mot partiklar som kan försvåra mätningarna.

En noggrann genomgång av mätningar gjorda 2011-2020 utgick från ett råmaterial på ca 670 000 neutrinospår som IceCube mätt upp. Större delen av dessa har inget astronomiskt ursprung, men noggranna statistiska undersökningar tyder på något som verkar vara en källa till energirika neutriner i en annan galax. IceCube-projektet presenterade 4 november upptäckten i en artikel i tidskriften Science (gratisversion här). Se även pressmeddelandet från Stockholms universitet.

Ström av neutriner från galax i Valfisken

Mätningarna från IceCube pekar på att galaxen Messier 77 är en källa till neutriner. Galaxen, också kallad NGC 1068, ligger ca 40 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Valfisken på vinterns stjärnhimmel. Denna galax syns redan i ett litet teleskop och är ett populärt objekt bland både amatör- och yrkesastronomer. IceCube-forskarna fann under nioårsperioden ett överskott på 79 neutriner med hög energi i riktning från Messier 77, utöver neutrinerna som väntas från den diffusa bakgrunden av neutriner.

Messier 77 har en s.k. aktiv galaxkärna, där energi utvinns när stora mängder materia faller mot det supertunga svarta hålet i galaxens centrum. Galaxens kärna lyser därför extra starkt. Tidigare studier pekar på att det svarta hålet har en massa på ca 10 miljoner gånger solens massa. I denna miljö borde en del partiklar kunna få mycket stora energier, lämna galaxkärnan och bidra till den kosmiska strålningen. Kraftiga flöden av energirika neutriner kan också väntas från en sådan plats. 

De energirika neutriner som, under loppet av ett decennium, observerats från det område på himlavalvet där Messier 77 ligger tyder, enligt IceCube-gruppens tolkning, på att den aktiva kärnan i Messier 77 även är en källa till kosmisk strålning.

Ett fåtal prickar på neutrinostjärnkartan

Endast några få astronomiska objekt har studerats genom den gäckande neutrinostrålningen. Solens neutriner har observerats sedan 1960-talet och i februari 1987 detekterades ett tjugotal neutriner från SN 1987A, en supernova i Vintergatans granngalax Stora magellanska molnet. En mycket energirik neutrino från den aktiva galaxen TXS 0506+056 observerades 2017 med IceCube (Filip Jennerholm Hammar rapporterade här).

Neutrinon från TXS 0506+056 observerades ensam, men sammanföll i tiden med att kärnan i denna galax hade förhöjd aktivitet. Från kärnan i Messier 77 observeras däremot neutriner i en stadig ström. Vi kan nu börja rita en neutrinokarta över himlavalvet, som i figuren ovan. Kanske är de två galaxerna exempel på olika sorters kosmiska neutrinokällor, föreslår IceCube-gruppen i slutet på den nya artikeln. Fler sorters neutrinokällor väntar oss säkert ute i kosmos!