Bildet viser hvordan registreringen av en nøytrino ble målt under isen 'på Sørpolen i 2017. Sensorene ligger over en kilometer under isen. Bygningen er en del av observasjonskomplekset IceCube. (Bilde: IceCube Collaboration/NSF)
Bildet viser hvordan registreringen av en nøytrino ble målt under isen 'på Sørpolen i 2017. Sensorene ligger over en kilometer under isen. Bygningen er en del av observasjonskomplekset IceCube. (Bilde: IceCube Collaboration/NSF)

Forskere sporet opp én eneste partikkel som har reist gjennom verdensrommet i over 3,8 milliarder år

Partikkelen kommer fra et sort hull og ble oppdaget på sørpolen. Som om dette ikke var rart nok, ble den oppdaget i en detektor som først og fremst består av en kubikkilometer med is.

Published

Selv om du ikke kan kjenne det, lukte det eller se det, er det helt ufattelige antall med nøytrinoer rundt deg og i deg hele tiden.

Dette er partikler som suser gjennom verdensrommet i nesten lysets hastighet, og det er så mange av dem at det ikke er mulig å visualisere det. Hvert eneste sekund går rundt 65 milliarder nøytrinoer gjennom hver eneste kvadratcentimeter av kroppen din.

Som sagt, vanskelig å se for seg. Men det er mye som er vanskelig med nøytrinoene. De er så vanskelige å måle at forskerne ikke vet hvor de aller fleste kommer fra.

Til nå er det bare to kjente, beviste astronomiske kilder til nøytrinoer: Fra vår egen sol, og fra en diger stjerneeksplosjon, som forskerne presenterte i denne forskningsartikkelen i 1987.

Men nå har det kanskje blitt avdekket en kilde til, ifølge en ny studie i tidsskriftet Science. På grunn av én eneste nøytrino som ble målt under isen på sørpolen.

Kilden er mest sannsynligvis en blasar, et enormt sort hull som sender ut ekstremt energirike partikler, men mer om dette senere i saken.

– For oss som er nøytrino-fans er dette kjempekult, sier Jostein Riiser Kristiansen til forskning.no. Han er astrofysiker og førsteamanuensis ved OsloMet.

Men for å forstå hva dette har å si, må vi ta en nærmere kikk på hva nøytrinoer egentlig er for noe.

Slik ser NASA for seg at en blasar framstår. Det er et gedigent sort hull som sender ut jetstrømmer med ladede partikler i hver ende. Når en av disse jetstrømmene peker rett mot oss, kalles det en blasar. (Bilde: NASA)
Slik ser NASA for seg at en blasar framstår. Det er et gedigent sort hull som sender ut jetstrømmer med ladede partikler i hver ende. Når en av disse jetstrømmene peker rett mot oss, kalles det en blasar. (Bilde: NASA)

Kræsjer i atomkjerner

Det ligger egentlig i navnet. Nøytrinoet forholder seg nesten helt nøytral til alle andre ting i universet. Den har ingen elektrisk ladning, og forskere trodde lenge at den ikke hadde noe masse i det hele tatt, men det har vist seg å være feil.

Nøytrinoet har en ørliten masse, og forskerne bak oppdagelsen fikk Nobelprisen i 2015. Men partikkelens spesielle egenskaper gjør at den ikke kolliderer med noen ting - nesten.

Det helt overveldende flertallet av nøytrinoer fortsetter i en rett linje fra kilden sin, uten å noen gang påvirke eller bli påvirket av andre partikler eller krefter i universet. Dette betyr også at nøytrinoer kan si noe om kilden den reiste fra, flere milliarder år etter at den ble sendt ut.

– Andre partikler med elektrisk ladning vil bli påvirket av for eksempel magnetfelt der ute, og bøyes av. Når de kommer til jorden, er det ikke godt å si hvilken retning de egentlig kommer fra, sier Kristiansen.

– Noe av det man ønsker å oppnå med nøytrino-observasjon er å forstå mer om kildene og hvor de dannes. Du finner mange forskjellige høyenergi-partikler og vi ønsker og forstå hvor de kommer fra.

Men hvordan klarer man å koble et nøytrino til en kilde? Først må nøytrinoet oppdages, noe som byr på utfordringer når de fleste nøytrinoer bare fortsetter uansett hva som ligger foran dem.

En gang i blant kolliderer nemlig nøytrinoer med en atomkjerne, og da gjelder det å måle utfallet av denne krasjen. Men siden det skjer så sjeldent, bør du måle det over et stort område.

En kubikkilometer med is

Det finnes flere observatorier som har som eneste oppgave å se etter nøytrinoer på jorda, men IceCube på Sørpolen framstår som spesielt merkelig.

Det er her dette ene, spesielle nøytrinoet ble registrert 22. september i 2017. Den ble sett i en detektor som består av over 5000 sensorer som ligger dypt nede i isen, fordelt på en kubikkilometer med is.

En del av teamet bak IceCube-prosjektet foran en av sensorene som skal ned i isen. Det er over 5000 av sensorene der nede. (Bilde: AFP PHOTO / HO / NSF / F. DECAMPS/NTB Scanpix)
En del av teamet bak IceCube-prosjektet foran en av sensorene som skal ned i isen. Det er over 5000 av sensorene der nede. (Bilde: AFP PHOTO / HO / NSF / F. DECAMPS/NTB Scanpix)

Sensorene ligger på en dybde mellom 1450 og 2450 meter, og de ser etter noen helt spesielle lysglimt i isen. Hvis du ikke trenger å vite mer om hvordan nøytrinoer oppdages, kan du hoppe til neste avsnitt, men det er en pussig historie.

Sånn ser sensorområdet ut. (Bide IceCube/CC BY 3.0)
Sånn ser sensorområdet ut. (Bide IceCube/CC BY 3.0)

Når et nøytrino en sjelden gang kolliderer med en atomkjerne, kommer det andre ladde partikler ut av denne kollisjonen. Disse partiklene har en fryktelig hastighet, faktisk raskere enn lyset.

Vel, ikke raskere enn lysets hastighet i vakuum, som er universets absolutte fartsgrense, så vidt vi vet. Men partiklene beveger seg raskere enn lyset går i isen, siden farten på lyset blir påvirket av materialet det reiser i.

Disse partiklene skaper en egen form for lys, som kalles tsjerenkovstråling. Dette er velkjent fra atomreaktorer, og i videoen under kan du se hvordan gløden ser ut fra en reaktor når den testes. Lyset kommer av ladde partikler fra reaktoren som beveger seg raskere enn lysets hastighet i vann.

Det er disse lyssporene alle sensorene under isen ser etter. De kan plukke opp et tsjerenkovstrålings-spor som viser hvilken retning nøytrinoet beveget seg i, som også sier noe om hvor mye energi den bærer med seg.

Men selv om nøytrinoer er ekstremt vanskelig å oppdage, er det så mange av dem over et såpass stort område i detektoren at den finner omtrent 275 nøytrinoer hver dag, ifølge IceCube-prosjektets hjemmesider.

Så hva var spesielt med dette ene nøytrinoet? Retning og energi.

Knyttet nøytrinoen til en bestemt kilde

– Når detektoren finner en nøytrino med høy energi, går det en varsel til fagfolk som kan lete etter kilden, sier Riiser Kristiansen.

Dette er blant annet folk som jobber med Fermi-romteleskopet, et romteleskop som leter etter strålingskilder over en stor del av stjernehimmelen.

– De andre teamene har klart å knytte dette ene nøytrinoet til en bestemt kilde, en blasar, sier Riiser Kristiansen.

Når dette nøytrinoet ble registrert, kunne andre team begynne å lete i retningen den hadde kommet fra. Flere store forskningsgrupper har vært involvert i dette arbeidet, og de mener å kunne peke på en blasar som ligger flere milliarder lysår unna oss.

Denne blasaren varierer i lysstyrke, noen ganger er den svak, andre ganger sterk, og dette nøytrinofunnet kobles til et spesielt sterkt blaff som skjedde i samme tidsrom som nøytrinoet ble registrert.

Blasaren er et gigantisk sort hull

– En blasar er egentlig et gigantisk sort hull i midten av en galakse som det er en virvlende skive med materie rundt.

Denne skiven spinner enormt raskt rundt det sorte hullet, og hele sulamitten sender ut en jetstrøm med partikler og energi. Det er her dette nøytrinoet kan ha oppstått, sammen med trillioner av andre nøytrinoer.

Når denne jetstrømmen peker rett mot jorden, kalles det en blasar. Denne skiven er ikke helt jevnt fordelt, så jetstrømmen kan variere i intensitet.

Jostein Riiser Kristiansen beskriver hva som egentlig har skjedd her på en veldig god måte:

– Det er som et ekstra stort rap fra denne galaksekjernen, så ender du med dette ene nøytrinoet som krasjer inn i et atom på sørpolen på jorda.

Riiser Kristiansen påpeker også at denne ene nøytrinoen kom fra nord for ekvator, så den har reist gjennom en god bit av jordkloden før den da ble registrert hos IceCube.

Her senkes en linje med sensorer ned i isen, i hull som er boret flere tusen meter ned. (Bilde: AFP PHOTO / HO / NSF / B. GUDBJARTSSON/NTB Scanpix)
Her senkes en linje med sensorer ned i isen, i hull som er boret flere tusen meter ned. (Bilde: AFP PHOTO / HO / NSF / B. GUDBJARTSSON/NTB Scanpix)

Usikkerheter

Det er noen usikkerheter i målingene. Dette er bare et eneste nøytrino, og forskerne mener det er svært sannsynlig at den kommer fra blasaren, som ikke har noe ordentlig navn enda, men heter TXS 0506+056 i katalogene.

Forskerne har også lett i arkivene til IceCube-prosjektet, og de mener å vise at denne blasaren er en potensiell kilde til flere andre nøytrino-registreringer med høy energi som har blitt gjort i løpet av det siste tiåret.

– Men de kan ikke gi en garanti for at den kommer derfra, siden det er noen små usikkerheter i retningen den kom fra, sier Riiser Kristiansen.

Men dette funnet er et eksempel på det som kalles for multimessenger-astronomi. Det samme objektet, som for eksempel en blasar, kan avgi forskjellig informasjon gjennom for eksempel elektromagnetisk stråling og nøytrinoer som kan registreres på jorden.

Det samme gjelder gravitasjonsbølger, som vi nå vet kan stamme fra kolliderende nøytronstjerner eller sorte hull, som du kan lese mer om her.

Noen forskere sammenligner det med å kunne kombinere forskjellige sanseintrykk, som for eksempel syn eller hørsel, for å få en bedre forståelse av fenomener i universet, ifølge Space.com.

Referanser:

Ice Cube collaboration: Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science, 2018. DOI: 10.1126/science.aat289. Sammendrag

D. Grant mfl: Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science, 2018. DOI: 10.1126/science.aat1378. Sammendrag