L'origine dei neutrini cosmici ad alta energia osservata dall'Osservatorio IceCube Neutrino, il cui rivelatore è sepolto in profondità nel ghiaccio antartico, è un enigma che ha lasciato perplessi fisici e astronomi. Un nuovo modello potrebbe aiutare a spiegare il flusso inaspettatamente grande di alcuni di questi neutrini dedotto dai recenti dati sui neutrini e sui raggi gamma. Un articolo dei ricercatori della Penn State che descrive il modello, che indica i buchi neri supermassicci trovati nei nuclei delle galassie attive come le sorgenti di questi misteriosi neutrini, appare il 30 giugno, 2020 sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"I neutrini sono particelle subatomiche così piccole che la loro massa è quasi zero e raramente interagiscono con altra materia, " ha detto Kohta Murase, assistente professore di fisica e di astronomia e astrofisica presso la Penn State e membro del Center for Multimessenger Astrophysics presso l'Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), che ha condotto la ricerca. "I neutrini cosmici ad alta energia sono creati da acceleratori di raggi cosmici energetici nell'universo, che possono essere oggetti astrofisici estremi come buchi neri e stelle di neutroni. Devono essere accompagnati da raggi gamma o onde elettromagnetiche a energie inferiori, e talvolta anche onde gravitazionali. Così, ci aspettiamo che i livelli di questi vari `messaggeri cosmici' che osserviamo siano correlati. interessante, i dati IceCube hanno indicato un eccesso di emissione di neutrini con energie inferiori a 100 teraelettronvolt (TeV), rispetto al livello dei corrispondenti raggi gamma ad alta energia visti dal Fermi Gamma-ray Space Telescope."

Gli scienziati combinano le informazioni provenienti da tutti questi messaggeri cosmici per conoscere gli eventi nell'universo e ricostruire la sua evoluzione nel fiorente campo dell'"astrofisica multimessaggero". Per eventi cosmici estremi, come massicce esplosioni stellari e getti di buchi neri supermassicci, che creano neutrini, questo approccio ha aiutato gli astronomi a individuare le fonti lontane e ogni messaggero aggiuntivo fornisce ulteriori indizi sui dettagli dei fenomeni.

Per i neutrini cosmici superiori a 100 TeV, precedenti ricerche del gruppo Penn State hanno mostrato che è possibile avere una concordanza con raggi gamma ad alta energia e raggi cosmici ad altissima energia che si adatta a un'immagine multimessaggero. Però, vi sono prove crescenti di un eccesso di neutrini al di sotto di 100 TeV, che non può essere semplicemente spiegato. Molto recentemente, l'IceCube Neutrino Observatory ha riportato un altro eccesso di neutrini ad alta energia in direzione di una delle galassie attive più luminose, noto come NGC 1068, nel cielo del nord.

"Sappiamo che le sorgenti di neutrini ad alta energia devono creare anche raggi gamma, quindi la domanda è:dove sono questi raggi gamma mancanti?" ha detto Murase. "Le sorgenti sono in qualche modo nascoste alla nostra vista nei raggi gamma ad alta energia, e il bilancio energetico dei neutrini rilasciati nell'universo è sorprendentemente ampio. I migliori candidati per questo tipo di sorgente hanno ambienti densi, dove i raggi gamma sarebbero bloccati dalle loro interazioni con la radiazione e la materia ma i neutrini possono facilmente fuggire. Il nostro nuovo modello mostra che i sistemi di buchi neri supermassicci sono siti promettenti e il modello può spiegare i neutrini al di sotto dei 100 TeV con requisiti energetici modesti".

Il nuovo modello suggerisce che la corona, l'aura di plasma incandescente che circonda le stelle e altri corpi celesti, attorno ai buchi neri supermassicci trovati nel nucleo delle galassie, potrebbe essere una tale fonte. Analogamente alla corona vista in un'immagine del Sole durante un'eclissi solare, gli astrofisici credono che i buchi neri abbiano una corona sopra il disco rotante di materiale, noto come disco di accrescimento, che si forma attorno al buco nero attraverso la sua influenza gravitazionale. Questa corona è estremamente calda (con una temperatura di circa un miliardo di gradi kelvin), magnetizzato, e turbolento. In questo ambiente, le particelle possono essere accelerate, che porta a collisioni di particelle che creerebbero neutrini e raggi gamma, ma l'ambiente è abbastanza denso da impedire la fuoriuscita di raggi gamma ad alta energia.

"Il modello prevede anche le controparti elettromagnetiche delle sorgenti di neutrini nei raggi gamma "morbidi" invece dei raggi gamma ad alta energia, ", ha detto Murase. "I raggi gamma ad alta energia verrebbero bloccati, ma questa non è la fine della storia. Alla fine verrebbero fatti scendere in cascata a energie più basse e rilasciati come raggi gamma "morbidi" nell'intervallo dei megaelettronvolt, ma la maggior parte dei rivelatori di raggi gamma esistenti, come il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, non sono sintonizzati per rilevarli."

Ci sono progetti in fase di sviluppo progettati specificamente per esplorare tale emissione di raggi gamma morbidi dallo spazio. Per di più, rivelatori di neutrini di prossima e prossima generazione, KM3Net nel Mar Mediterraneo e IceCube-Gen2 in Antartide saranno più sensibili alle sorgenti. Gli obiettivi promettenti includono NGC 1068 nel cielo settentrionale, per i quali è stata segnalata l'emissione di neutrini in eccesso, e molte delle galassie attive più luminose nel cielo meridionale.

"Questi nuovi rivelatori di raggi gamma e neutrini consentiranno ricerche più approfondite per l'emissione multimessaggero dalle corone dei buchi neri supermassicci, "ha detto Murase. "Ciò consentirà di esaminare criticamente se queste fonti sono responsabili del grande flusso di neutrini di livello medio di energia osservato da IceCube come prevede il nostro modello".