Neutrino z hvězdy roztrhané na kusy černou dírou

Na objevu neutrina, které se uvolnilo při daleké katastrofě, se podílely různé vědecké týmy a různé detektory a teleskopy. Čím je zajímavé ? (délka blogu 5 min.)

IceCube

Observatoř IceCube Neutrino (zkráceně IceCube ) má za úkol detekovat vysokoenergetická neutrina, která k nám přicházejí z vesmíru. Je součástí Amundsenovy-Scottovy stanice v Antarktidě.

Od roku 2010 tu vědci čekají na neutrina, která se mají zachytit v 1 km3 ledu. Jejich záchyt umožňuje skutečnost, že se při pohlcení neutrina v ledu generuje Čerenkovovo záření. To je následně sledováno citlivými optickými senzory (fotonásobiči). 

Vědci přitom doufají, že jim IceCube poskytne znalosti o zdrojích neutrin ve vysoce energetických vesmírných procesech.

Proč vlastně neutrina? Co je na nich zvláštního? 

Na první pohled se to může zdát nešikovné. Vždyť neutrina jsou právě ty částice, které se dají pozorovat jen velmi obtížně. Každou vteřinou prolétají každým centimetrem povrchu Země miliardy neutrin - a nikdo si jich nemá šanci všimnout. Reagují s vesmírnou hmotou totiž jen velmi, velmi nerada. 

Proč se tedy vědci nespokojí s pozorováním jiných částic? Právě ona zdánlivá nevýhoda je totiž zároveň obrovskou výhodou. To, že jsou netečná, dovoluje neutrinům, aby se na Zemi vůbec dostala. 

Jiné druhy částic nebo záření jsou daleko dříve pohlceny hmotou, které jim stojí v cestě, případně jsou odkloněny galaktickými magnetickými poli (když se jedná o nabité částice). Neutrina, která s hmotou reagují jen neochotně a magnetická pole je nechávají chladnými - jsou tedy ideálním prostředníkem při sledování katastrofických scénářů - jako je například roztržení hvězdy, padající do černé díry v centru své galaxie. 

Zachycená neutrina

První takovou částici se podařilo zachytit v roce 2018.

Vědci odhadli její energii na 290 teraelektronvolt - to je 290 000 000 000 000 eV. Částice s úctyhodnou energií pocházela z tzv. blazaru - černé díry v centru cizí vzdálené galaxie. 

Rok na to, 1. října 2019, se pak podařilo zachytit druhé neutrino podobného typu. Dostalo název IC191001A. IC označuje fakt, že bylo zachyceno v detektoru IceCube. Další číslice označují dobu záchytu - 2019 10.01. a písmeno A znamená, že šlo o první takový objev v daném dni. 

Jak ale zjistit, jaký děj toto neutrino vyvolal? 

Na pomoc přišel vědcům Zwicky Transient Facility - experiment, který prohledává nebe a hledá zajímavé krátkodobé úkazy. Pracuje s pomocí nové kamery připojené k Samuel Oschinově dalekohledu na Palomarské observatoři v Kalifornii. Do provozu byl uveden v roce 2018. Je pojmenována podle astronoma Fritze Zwickyho. 

Jeho jméno vám bude povědomé - byl to astronom, který jako první postuloval existenci temné hmoty. Zwicky byl ovšem velice zvláštní člověk, dnes bychom ho nejspíš nazvali … samorost. Nebyl svým kolegům nikdy moc sympatický - a tak ani jeho teorie zpočátku nezískala téměř žádné podpůrce. Temnou hmotu se tak podařilo prokázat až o několik desetiletí později, když se Vera Rubin začala zajímat o pohyby hvězd v galaxii - a zjistila, že v ní musí být daleko více hmoty, než vidíme očima nebo různými teleskopy, které zkoumají nejrůznější druhy elektromagnetického záření. V galaxiích se zjevně nachází také hmota, která nezáří. Byla pojmenována “temnou hmotou” i když by jí spíše slušel název “průhledná”. 

Systém skutečně našel jeden nadějný proces. V roce 2019 zaznamenal dávku záření z daleké galaxie. Toto záření se uvolnilo ve chvíli, kdy daleká černá díra v jádru této galaxie roztrhala na kusy hvězdu, která se k ní přiblížila. 

Tidal Disruption Event AT2019dsg

Podobné příhody vlastně nejsou vůbec vzácné. Kolem velice hmotných černých děr v jádrech galaxií se pohybuje velké množství hvězd, které je obíhají po stále kratších drahách a jednoho dne se k nim přiblíží na takovou vzdálenost, kdy už jejich vnitřní soudržnost nezvládne odolával slapovým silám - a hvězda se musí nutně roztrhat na kusy. 

Tento konkrétní jev dostal název Tidal Disruption Event AT2019dsg. Vědci odhadují, že zhruba polovina hmoty hvězdy byla vymrštěna do okolního prostoru, zatímco druhá polovina se stala součástí divoce rotujícího akrečního disku, který se nachází v blízkosti černé díry. 

Vědci pak prozkoumali Tidal Disruption Event AT2019dsg v různých pásmech elektromagnetického spektra, aby se o něm dozvěděli více podrobností. 

Jak vzniklo neutrino IC191001A? 

Podobná neutrina mohou vznikat například tehdy, když spolu vzájemně kolidují protony s vysokou rychlostí a energií - nebo při srážce takových protonů s vysoce energetickým zářením. 

Sama černá díra a její akreční disk jsou pak oním urychlovačem částic, které vytvářejí proud vysoce energetických protonů. Na pólech černé díry se uvolňují proudy částic, kterým se odborně říká “jet”. O vysoce energetické rentgenové záření se postaral oblak nabitých částic (plazma) v blízkosti jevu. 

Na Zemi pozorované neutrino přitom vzniklo trochu později než proběhla samotná destrukce hvězdy. Mělo “zpoždění” přibližně půl roku. To odpovídá modelu, který se dá logicky popsat výše zmíněnými procesy. 

Vědci se teď samozřejmě těší na další podobná neutrina - a také na to, že s jejich pomocí budou moci zjistit další a další detaily ze života černých děr. 

Zdroje:https://www.nature.com/articles/s41550-020-01295-8,https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abf5e2