Dulkių paslėpti žvaigždžių sprogimai ir neutrinos kosmose

Vaiduokliška dalelė nukreipė astronomus link galaktikos, kurią jie vos galėjo įžiūrėti. Tai buvo neutrinas, beveik be masės nešėjas, kuris prasprūdo per erdvę ir ledą ir Pietų ašigalyje užfiksuotas kaip įvykis IC 210922A. Trumpa. Tyli. Negalėjo likti nepastebėta.

Kai IceCube neutrino observatorija pažymėjo įvykį, teleskopai visame pasaulyje ėmė veikti. ALMA, milimetrinių bangų milžinė Čilėje, nukreipė žvilgsnį į tą patį dangaus lopinėlį ir aptiko nepaprastai ryškų, dulkėmis prisigėrusį šaltinį: JCMT0402−0424. Galaktika yra maždaug už 11 milijardų šviesmečių. Iš mūsų perspektyvos ji šviečia submilimetrinėse bangose, o optiniai teleskopai beveik nieko nemato. Astronomai ją pavadino Šešėlių smogiku dėl tos paslaptingumo.

Metus aukštos energijos neutrinai buvo siejami su smurtiniais varikliais, pavyzdžiui, supermasyvių juodųjų skylių paleidžiamomis želėmis, ir tai atrodė akivaizdus įtariamasis ir čia. Tačiau ALMA itin aštrūs radijo vaizdai papasakojo kitą istoriją. Įprasti išsekusios juodosios skylės požymiai dingo. Vietoje to duomenys atskleidė kompaktišką, įnirtingai žvaigždžių formavimosi šerdį: maždaug 1 500 šviesmečių pločio sritį, pripildytą dujų ir dulkių, kurioje žvaigždės susidaro labai greitai.

Kaip pamatėme tą paslėptą branduolį tokiu detaliu vaizdu? Gamta padėjo. Prieš mus esanti galaktika veikia kaip gravitacinis lęšis, lenkdamas ir padidinant tolimas radijo bangas. ALMA užfiksavo kelis iškraipytus vaizdus, kosminio atrakciono atspindžius, kurie silpnus objektus daro ryškius ir atskiriamus. Dėl to padidinimo komanda galėjo sudaryti dulkių ir molekulinių dujų pasiskirstymo žemėlapį ir atmesti spektrinius ženklus, kurių tikėtumėmės iš aktyvaus galaktikos branduolio.

Tai kas gi, jei ne juodoji skylė, galėtų gaminti neutrinus čia? Intensyviai žvaigždžių formavimosi, dulkomis persisunkusiose zonose, naujai gimstančios masyvios žvaigždės ir supernovų liekanos pagreitina protonus ir kitus kosminius spindulius. Šios dalelės trenksis į tankias dujas ir sukurs pionus, o jų skilimas duos neutrinus. Šešėlių smogiko kompaktiškumas – milžiniška masė palyginti mažame tūryje – gerokai padidina tokių susidūrimų tikimybę. Fizika čia netvarkinga, chaotiška ir ypač efektyvi slėpti energiją po dulkių sluoksniais.

Kai kurie aukštos energijos neutrinai gali gimti dulkomis uždengtose žvaigždžių sprogimų šerdyse, ne vien juodųjų skylių žiotyse.

Toks perspektyvos poslinkis yra svarbus. Žinomi neutrinų šaltiniai, susiję su juodosiomis skylėmis, vieni negali paaiškinti difuzinio aukštos energijos neutrinų fono, užfiksuoto visame danguje. Modeliai, atnaujinti įtraukiant kompaktiškas, dulkėtas žvaigždžių sprogimų galaktikas, panašias į Šešėlių smogiką, rodo, kad tokie objektai gali reikšmingai prisidėti – galbūt iki apie 20 procentų stebimo srauto, pagal komandos apskaičiavimus. Ne pagrindinis šaltinis, bet svarbi dėlionės dalis.

Atranka išaugo iš tarptautinio bendradarbiavimo: komandos naudojančios IceCube neutrinui aptikti, ALMA radijo spinduliui įamžinti ir vėlesni stebėjimai, kurie sudėliojo galaktikos struktūrą. Institucijos iš kelių šalių prisidėjo prie šio forensinio tyrimo. Kiekvienas instrumentas pateikė kitokį užuominą, nuo neutrinio atvykimo laiko iki lęšio sukurtų vaizdų rašto, atskleidusio kompaktišką branduolį.

Vis dar lieka klausimų. Kaip dažni tokie kompaktiški, dulkių prisotinti žvaigždžių sprogimai dideliame raudoniniame poslinkyje? Koks jų efektyvumas paverčiant žvaigždžių sprogimus neutrinams? Ar gali veikti kiti paslėpti mechanizmai, tyliai apsimetantys žvaigždžių formavimusi? Dangus gerai saugo savo paslaptis, bet kiekvienas neutriną, kurį pavyksta atsekti atgal, padeda jas truputį praverti.

Šešėlių smogikas primena, kad kosminiai fejerverkai ne visada reiškia save šviesa. Kartais jie šnabždasi dalelėmis, ir mums reikia visų įrankių, ir truputį gravitacinio gudrumo, kad juos išgirstume.