Gwiezdna fabryka Shadow Blaster powiązana z wysokoenergetycznym neutrinem

Astronomowie z ALMA namierzyli niezwykle zwartą, pyłową galaktykę gwiazdotwórczą z epoki kosmicznego południa, która wydaje się najlepszą jak dotąd kandydatką na źródło jednego z najbardziej energetycznych neutrin zarejestrowanych przez IceCube – zdarzenia IC 210922A. Choć związek nie jest jeszcze w 100% pewny, wyniki sugerują, że ukryte, kompaktowe galaktyki gwiazdotwórcze mogą realnie dokładać się do tła wysokoenergetycznych neutrin we Wszechświecie.

Neutrino z Antarktydy, trop w kosmosie

22 września 2021 r. detektor IceCube, wwiercony głęboko w lód Antarktydy, zarejestrował wysokoenergetyczne neutrino oznaczone IC 210922A, o energii około 750 teraelektronowoltów – znacznie większej niż ta osiągana w ziemskich akceleratorach cząstek. Neutrina praktycznie nie wchodzą w interakcje z materią, więc potrafią przebyć miliardy lat świetlnych, niosąc informację o najpotężniejszych procesach we Wszechświecie.

Po detekcji IC 210922A teleskopy na całym świecie przeszukały wskazany fragment nieba w promieniach gamma, X i w świetle widzialnym, ale nie udało się znaleźć przekonującego błysku ani pojaśnienia, które wskazywałoby klasycznego podejrzanego, np. aktywne jądro galaktyczne. Dopiero obserwacje w paśmie submilimetrowym – najpierw JCMT i Submillimeter Array, a potem ALMA – ujawniły niezwykle jasne, ale mocno zapylone źródło w tym obszarze.

Shadow Blaster pod kosmiczną soczewką

Nowy obiekt otrzymał oficjalne oznaczenie JCMT0402−0424 oraz przydomek Shadow Blaster – Wybuch Cieni, bo w świetle widzialnym jest niemal niewidoczny, za to w paśmie submilimetrowym świeci jak latarnia. Dane ALMA pokazały, że światło Shadow Blaster jest silnie zniekształcone przez grawitację masywnej galaktyki na pierwszym planie, co rozdziela obraz na cztery oddzielne odbicia wokół galaktyki soczewkującej. To klasyczny przykład soczewkowania grawitacyjnego: masa przedniego obiektu zakrzywia bieg światła z tła, powiększając i rozjaśniając odległą galaktykę niczym naturalny teleskop.

Z wykorzystaniem tych czterech obrazów oraz danych optyczno‑podczerwonych o galaktyce soczewkującej zbudowano szczegółowy model soczewkowania i odtworzono rzeczywisty kształt Shadow Blaster w odległej przeszłości. Okazało się, że to zwarta galaktyka gwiazdotwórcza z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie kilka miliardów lat – przy przesunięciu ku czerwieni z=2,988, czyli około 11 mld lat świetlnych.

Gwiezdna fabryka ukryta w pyle

ALMA zarejestrowała kilka linii emisyjnych tlenku węgla i neutralnego węgla, co pozwoliło precyzyjnie wyznaczyć odległość i zbadać warunki fizyczne gazu. Analiza wskazuje, że w centrum Shadow Blaster nie dominuje potężna supermasywna czarna dziura – brak typowych dla AGN jasnych emisji wysokoenergetycznych γ/X, a własności gazu lepiej pasują do scenariusza ekstremalnego wybuchu procesów gwiazdotwórczych.

Po uwzględnieniu wzmocnienia soczewkowego zespół oszacował tempo powstawania gwiazd na setki mas Słońca rocznie, skoncentrowane w bardzo gęstym, pyłowym jądrze o rozmiarze zaledwie około 1500–1700 lat świetlnych. Taka miniaturowa galaktyka‑piec jest wypełniona gazem i pyłem, które skutecznie zatrzymują i gotują wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego. Fizycznie mówimy o kosmicznym kalorymetrze: miejsce, gdzie energia cząstek jest tracona w serii zderzeń, prowadząc do powstawania promieniowania gamma i neutrin.

Czy to źródło neutrina IC 210922A?

Samo ustawienie na niebie nie wystarczyłoby do ogłoszenia zwycięzcy – w polu mogłoby być wiele potencjalnych kandydatów. W tym przypadku sytuacja jest wyjątkowa: Shadow Blaster jest ekstremalnie jasnym źródłem submilimetrowym, a szansa znalezienia takiej galaktyki przypadkowo w obszarze lokalizacji IceCube wynosi, według autorów pracy, zaledwie około 1% lub mniej.

Co więcej, mimo szeroko zakrojonych kampanii follow‑up nie znaleziono w tym rejonie żadnego innego obiektu, który równie dobrze nadawałby się na źródło neutrina – brak jest aktywnych jąder galaktycznych czy gwałtownych rozbłysków gamma. To połączenie: rzadkość takiej galaktyki, jej zwarte, bogate w gaz jądro oraz brak alternatywnych kandydatów sprawia, że Shadow Blaster jest dziś najbardziej prawdopodobną elektromagnetyczną odpowiedniczką zdarzenia IC 210922A – choć autorzy ostrożnie podkreślają, że fizycznego związku nie można uznać za ostatecznie potwierdzony.

Co to znaczy dla astrofizyki neutrin?

Nawet jeśli pojedyncza galaktyka gwiazdotwórcza produkuje stosunkowo niewiele neutrin, cała populacja takich obiektów mogła znacząco dokładać się do tła wysokoenergetycznych neutrin we Wszechświecie. Modelowanie populacyjne w opublikowanej pracy sugeruje, że kompaktowe, pyłowe galaktyki gwiazdotwórcze z epoki kosmicznego południa mogą odpowiadać średnio za około 15% i maksymalnie za mniej więcej 20% obserwowanego rozproszonego strumienia neutrin w zakresie od dziesiątek TeV do energii petaelektronowoltowych.

To oznacza, że najprawdopodobniej za rejestrowane przez IceCube neutrina odpowiada kilka różnych klas obiektów: od aktywnych jąder galaktycznych, przez rozbłyski gamma, po takie właśnie ukryte, intensywne galaktyki gwiazdotwórcze. Odkrycie Shadow Blaster jest więc pięknym przykładem astronomii wielonośnikowej w praktyce – połączenia sygnału cząstki (neutrina) z obserwacjami elektromagnetycznymi w całym zakresie widma, pozwalającego uchylić kolejną tajemnicę duchów kosmosu.

---

Źródła

Główne źródło:

• ALMA, ALMA Reveals a Hidden Starburst Galaxy Linked to a High-Energy Neutrino

Źródła kontekstowe:

• Y. Urata et al., Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos, Nature Astronomy,
• EurekAlert!, New scenario for cosmic neutrino events,
• Sci.News, Astronomers Trace Elusive High-Energy Neutrino to Star-Forming Galaxy in Early Universe,
• IceCube GCN Circular 30862

Opracowanie: Agnieszka Nowak