W głębinach Morza Śródziemnego, setki metrów pod powierzchnią wody, rozegrało się zdarzenie, które może na zawsze zmienić nasze rozumienie najbardziej ekstremalnych procesów we wszechświecie. Międzynarodowy zespół naukowców, analizujący dane z podwodnego detektora KM3NeT/ARCA, ogłosił wyniki śledztwa dotyczącego pochodzenia najbardziej energetycznej cząstki, jaką kiedykolwiek udało się schwytać ludzkości. Wszystko wskazuje na to, że trop prowadzi do blazarów – gigantycznych czarnych dziur, które pełnią rolę najpotężniejszych akceleratorów cząstek w kosmosie.
Wszystko zaczęło się 13 lutego 2023 roku, kiedy to eksperymentalna sieć czujników zanurzonych u wybrzeży Sycylii zarejestrowała sygnał oznaczony kodem KM3-230213A. Było to neutrino o niewyobrażalnej energii około 220 PeV (petaelektronowoltów). Aby uzmysłowić sobie skalę tego zjawiska, należy podkreślić, że energia ta przewyższa o ponad rząd wielkości wszystko, co do tej pory zaobserwowano, włączając w to rekordy ustanowione przez słynne obserwatorium IceCube na Antarktydzie. Neutrina, nazywane często „cząstkami duchami”, niezwykle rzadko oddziałują z materią, co sprawia, że ich detekcja jest wyzwaniem, a schwytanie tak energetycznego okazu jest wydarzeniem o randze historycznej.
Odkrycie to natychmiast postawiło naukowców przed fundamentalnym pytaniem: jaki obiekt we wszechświecie jest zdolny do nadania pojedynczej cząstce tak gigantycznej energii? Zespół badawczy KM3NeT, we współpracy z badaczami z włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN), opublikował właśnie na łamach Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) analizę, która rzuca nowe światło na ten kosmiczny proces. Według ich ustaleń, „sprawcą” zamieszania nie jest pojedyncza, gwałtowna eksplozja, lecz cała populacja odległych, aktywnych galaktyk.
Blazary: Kosmiczne działa wycelowane w Ziemię
Głównym podejrzanym w tym naukowym śledztwie stały się blazary. Są to szczególne rodzaje aktywnych jąder galaktyk (AGN), w których sercu spoczywa supermasywna czarna dziura. Obiekty te pochłaniają olbrzymie ilości materii, a część tej energii wyrzucają w postaci potężnych dżetów plazmy, poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. W przypadku blazarów, jeden z tych dżetów jest skierowany niemal idealnie w stronę Ziemi, co sprawia, że są one dla nas wyjątkowo jasne i energetyczne.
Meriem Bendahman, badaczka z INFN w Neapolu i jedna z głównych autorek pracy, wyjaśnia, że poszukiwania źródła przypominały pracę techników kryminalistycznych. Naukowcy musieli sprawdzić, czy neutrino mogło powstać w wyniku interakcji promieniowania kosmicznego z reliktowym promieniowaniem tła (pozostałością po Wielkim Wybuchu), czy też pochodzi z konkretnego, punktowego źródła. Ponieważ w momencie detekcji nie zarejestrowano żadnego towarzyszącego błysku światła widzialnego, radiowego czy rentgenowskiego (tzw. odpowiednika elektromagnetycznego), badacze musieli rozważyć koncepcję strumienia dyfuzyjnego.
Symulacje i dowody: Jak działa model AM3?
Aby zweryfikować swoją hipotezę, zespół wykorzystał zaawansowane oprogramowanie AM3 do symulacji populacji blazarów. Naukowcy stworzyli model uwzględniający realne parametry fizyczne, takie jak natężenie pól magnetycznych czy rozmiary regionów emisyjnych w dżetach. Kluczowe okazały się dwa parametry: tzw. baryonic loading (stosunek energii przenoszonej przez protony do energii elektronów) oraz indeks spektralny protonów, który decyduje o tym, jak prawdopodobne jest osiągnięcie przez cząstki ekstremalnych energii.
Niezwykle istotnym elementem badania było zintegrowanie danych z wielu źródeł. Naukowcy nie opierali się wyłącznie na tym, co zobaczył KM3NeT, ale także na tym, czego nie dostrzegły inne instrumenty. Porównanie z danymi z teleskopu kosmicznego Fermi LAT oraz obserwatorium IceCube pozwoliło ustalić, że populacja blazarów może generować tak energetyczne neutrina, nie naruszając przy tym obserwowanego tła promieniowania gamma. Fakt, że podobne zdarzenia są niezwykle rzadkie w danych z IceCube, również pasuje do modelu zaproponowanego przez zespół Bendahman – zjawiska te są po prostu tak unikalne, że wymagają detektorów o ogromnej objętości.
Co najbardziej fascynujące w tym odkryciu, rekordowe neutrino zostało zarejestrowane, gdy detektor KM3NeT znajdował się jeszcze w fazie budowy. W lutym 2023 roku aktywne było jedynie 21 linii detekcyjnych, co stanowi około 10% planowanej objętości docelowego instrumentu. Fakt, że tak niekompletny aparat zdołał przechwycić cząstkę o energii 220 PeV, budzi ogromny entuzjazm w środowisku astronomicznym.
„Z pełnym detektorem i większą ilością danych będziemy w stanie przeprowadzić potężniejsze analizy statystyczne i otworzyć nowe okno na wszechświat wysokich energii” – podkreśla Bendahman. Jeśli hipoteza o blazarach zostanie ostatecznie potwierdzona przez kolejne obserwacje, będzie to oznaczać, że te galaktyczne monstra są znacznie potężniejszymi akceleratorami, niż dotychczas sądzono. Odkrycie to nie tylko przybliża nas do zrozumienia mechanizmów napędzających aktywne jądra galaktyk, ale także udowadnia, że przyszłość astronomii wielonośnikowej (multimessenger astronomy) leży w głębinach ziemskich oceanów.