MAGIC-teleskoopit jäljittivät harvinaisen kosmisen neutriinon alkuperän

​Turun yliopiston tiedote 12.7.2018

Neutriinot ovat alkeishiukkasia, jotka eivät ole juurikaan vuorovaikutuksessa ympäröivän maailman kanssa. Vaikka neutriinojen havaitseminen on vaikeaa, havainnoilla on suuri merkitys tähtitieteilijöille. Neutriinot ovat tärkeitä kosmisia viestintuojia, jotka välittävät tutkijoille ainutlaatuista tietoa kaukaisista alueista, joissa ne ovat syntyneet.

Näiden salaperäisten hiukkastyyppien etsimiseen erikoistuneista havaintolaitteista suurin on etelänavalla sijaitseva IceCube, joka havaitsee päivittäin noin 200 neutriinoa. Ne ovat kuitenkin suurimmaksi osaksi energialtaan matalia ja syntyvät Maan ilmakehän kanssa vuorovaikutuksessa olevien kosmisten säteiden vaikutuksesta.

Poikkeuksellinen neutriino herätti tutkijoiden mielenkiinnon

IceCube havaitsi 22.9.2017 erityisen neutriinon, jonka erittäin korkea energia (osapuilleen 290 teraelektronivolttia) viittasi siihen, että hiukkanen oli lähtöisin kaukaisesta taivaankappaleesta. Tutkijat pystyivät myös määrittämään sen tulosuunnan erittäin tarkasti.

– Teorioiden mukaan neutriinosäteilyn yhteydessä saattaa lisäksi vapautua valohiukkasia. Nämä fotoneiksikin kutsutut valohiukkaset ovat sähkömagneettista säteilyä, jota voidaan tutkia teleskoopeilla, selittää MAGIC Collaborationin edustaja Razmik Mirzoyan, joka työskentelee tutkijana Max Planck -instituutissa.

Havainnon myötä teleskoopit suunnattiinkin neutriinon tulosuuntaan sen lähteen paljastumisen toivossa.

Koko taivasta tutkivalta Fermi-LAT-satelliitilta raportoitiin, että neutriinon tulosuunta oli linjassa tunnetun aktiivisessa tilassa olevan gammasäteiden lähteen, TXS 0506+056 -blasaarin, kanssa. Lisäksi 17-metrinen korkeaenergistä gammasäteilyä maanpinnasta mittaava kaksoisteleskooppi MAGIC paljasti, että blasaarista tulevan säteilyn energia yltää vähintään 400 gigaelektronivolttiin.

Nämä löydökset sekä neutriinon tulosuunta osoittavat blasaarin olevan neutriinon todennäköinen lähde. TXS 0506+056 on aktiivinen galaktinen keskus, 3,7 miljardin valovuoden päässä Maasta sijaitsevan galaksin energiaa säteilevä ydin. Sen sisuksissa on supermassiivinen musta aukko, joka laukaisee suihkuja – hiukkasten ja energian ulosvirtauksia, jotka etenevät lähes valonnopeudella.

Kosmisen säteilyn kintereillä

Koska neutriinojen synty on aina yhteydessä protonivuorovaikutukseen, uudet havainnot saattavat auttaa ratkaisemaan vanhan mysteerin toistaiseksi tuntemattomasta kosmisen säteilyn syntypaikasta. Kosminen säteily, jonka fyysikko Victor Hess löysi vuonna 1912, koostuu pitkälti korkeaenergisistä protoneista.

– Kosmisen neutriinon ansiosta tiedämme, että blasaari kykenee kiihdyttämään protoneita erittäin korkeaenergisiksi, ja täten se saattaakin itse asiassa olla yksi kosmisen säteilyn lähteistä, sanoo tutkija Elisa Bernardini Zeuthenin DESY-tutkimuskeskuksesta.

Kosmisten säteiden lähteiden löytäminen on hankalaa syystä.

– Positiivisesti varautuneet protonit ohjautuvat avaruudessa magneettikenttien vaikutuksesta pois reiteiltään. Ne eivät siis matkaa suorassa linjassa, emmekä näin ollen tiedä mistä suunnasta ne tulevat, Bernardini jatkaa.

Neutriinot ja fotonit ovat sitä vastoin varauksettomia, minkä ansiosta ne matkaavat maailmankaikkeudessa suorinta reittiä. Siksi niiden alkuperä voidaan jäljittää luotettavasti. Blasaarien taustalla oleviin prosesseihin etsitään kuitenkin yhä selityksiä.

– Meitä kiinnostavat tarkka paikka sekä protoneja kiihdyttävä mekanismi, joihin sekä korkeaenergisten neutriinojen että fotonien alkuperä juontavat juurensa, Mirzoyan sanoo.

Alkuperä suihkun protoneissa

MAGICin tutkimus tarjoaa mahdollisia vastauksia neutriinojen alkuperästä. Neutriinolöydöksen jälkeen teleskoopeilla havaittiin blasaarin roihuavan ja sitä tarkasteltiin yhteensä noin 41 tunnin ajan. Tutkimusaineisto viittaisi siihen, että protonit ovat blasaarin laukaisemissa suihkuissa vuorovaikutuksessa keskenään.

– Tulokset todentavat myös sen, että neutriinon lisäksi osa gammasäteistä syntyy korkeaenergisten protonien vaikutuksesta – ei muusta suihkun hiukkasvuorovaikutuksesta. Tämä on ensimmäinen kerta, kun voimme vahvistaa sekä neutriinojen että gammasäteiden juontuvan protoneista, Mirzoyan lisää.

Tutkijat löysivät ainutlaatuisen tunnusmerkin TXS 0506+056 -blasaarista tulleiden korkeaenergisten gammasäteiden spektrissä.

– Havaitsimme fotonien määrän vähenevän tietyn energia-alueen sisällä, eli hiukkasten on täytynyt absorboitua, sulautua yhteen, Bernardini sanoo.

Tunnusmerkki viittaa myös siihen, että IceCuben havaitsema neutriino saattaa olla tulosta protonien ja blasaarin laukaisemissa suihkuissa olevien fotonien vuorovaikutuksesta.

– Nämä tulokset todentavat sen, että eri hiukkasviestintuojien, neutriinojen ja fotonien, välillä on aito yhteys, Mirzoyan sanoo.

Gammasäteilyn avulla saadaan tietoa siitä, miten supermassiivisten aukkojen ”voimalat” toimivat, eli miten äärimmäisen korkeaenerginen suihku syntyy, ja mitkä hiukkasfysiikan prosessit ovat silloin käynnissä.

MAGIC-teleskooppi juhlisti 15-vuotista taivaltaan

Turun yliopiston tutkijat ovat olleet mukana MAGIC-teleskoopin toiminnassa alusta alkaen. Suomen ESO-keskuksesta mukana ovat erikoistutkija Elina Lindfors ja yliopistotutkija Kari Nilsson. Fysiikan ja tähtitieteen laitokselta yhteistyössä ovat olleet mukana yliopistotutkija Aimo Sillanpää sekä tohtorikoulutettavat Vandad Fallah Ramazani ja Auni Somero. Somero työskentelee parhaillaan MAGIC-teleskoopilla Espanjan La Palmalla.

Turkulaisryhmällä on ollut merkittävä rooli blasaaritutkimuksessa. Lindfors on johtanut havainto-ohjelmaa, jonka ansiosta on löydetty yli kymmenen uutta erittäin korkeaenergistä gammasäteilyä lähettävää blasaaria. Ryhmä on myös havainnut La Palmalla sijaitsevalla KVA-teleskoopilla optista säteilyä blasaareista, joita MAGIC havaitsee korkean gammasäteilyn alueella.

– Nyt tehty löytö on pitkäjänteisen tiimityön tulosta. MAGIC-teleskoopissa on panostettu siihen, että sen suorituskyvystä saadaan kaikki irti, ja havaintostrategioita on optimoitu. Jo vuosia on puhuttu siitä, että blasaarien laukaisemat suihkut ovat todennäköisesti erittäin korkeaenergisten neutriinojen lähteitä, mutta neutriinojen havaitseminen on hyvin vaikeaa. Vielä vaikeampaa on saada kaikki loksahtamaan kohdalleen eli paikallistaa neutriinon potentiaalinen lähde ja seurata sitä korkeimmilla mahdollisilla gammaenergioilla. Nyt se onnistui, Lindfors summaa.

Tutkimus julkaistaan kahdessa merkittävässä kansainvälisessä tieteellisessä julkaisussa:

• ”Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A,” The IceCube, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S, INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, and VLA/17B-403 teams. Science 361, eaat1378 (2018). DOI:10.1126/science.aat1378, http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aat1378  
• “The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration,” The MAGIC Collaboration: M. L. Ahnen et al. The Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/aad083

Tutkimuksesta löytyy median käyttöön kuvia ja videoita osoitteessa: https://nextcloud.mpp.mpg.de/nextcloud/index.php/s/KMPBHKTMJMHaNc7?path=%2F

MAGIC-teleskoopin 15-vuotissyntymäpäivää juhlistettiin 28.6. juhlaliputuksella. (Kuva: Vandad Fallah Ramazan) https://apps.utu.fi/media/tiedotteet/MAGIC-teleskooppi.jpg  

Lisätietoja:

Elina Lindfors, Turun yliopisto, p. 040 735 3836, elilin@utu.fi

Razmik Mirzoyan, MAGIC Collaboration & Max-Planck-Institute for Physics, Munich, Razmik.Mirzoyan@mpp.mpg.de

Elisa Bernardini, DESY & Humboldt University in Berlin, Elisa.Bernardini@desy.de