L'evento del neutrino IceCube 170922A, rilevata presso l'Osservatorio IceCube Neutrino al Polo Sud, sembra provenire dalla lontana galassia attiva TXS 0506+056, a una distanza di viaggio della luce di 3,8 miliardi di anni luce. TXS 0506+056 è una delle tante galassie attive ed è rimasto un mistero perché e come solo questa particolare galassia abbia generato neutrini finora.

Un team internazionale di ricercatori guidati da Silke Britzen del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, Germania, studiato osservazioni radio ad alta risoluzione della sorgente tra il 2009 e il 2018, prima e dopo l'evento del neutrino. Il team propone che l'attività potenziata del neutrino durante un precedente brillamento di neutrini e il singolo neutrino potrebbero essere stati generati da una collisione cosmica all'interno di TXS 0506+056. Lo scontro di materiale a getto vicino a un buco nero supermassiccio sembra aver prodotto i neutrini.

I risultati sono pubblicati in Astronomia e astrofisica , 02 ottobre, 2019.

Il 12 luglio 2018, la collaborazione IceCube ha annunciato la rilevazione del primo neutrino ad alta energia, IceCube-170922A, che potrebbe essere ricondotto a una lontana origine cosmica. Mentre l'origine cosmica dei neutrini era sospettata da tempo, questo è stato il primo neutrino dallo spazio la cui origine potrebbe essere confermata. La "casa" di questo neutrino è un nucleo galattico attivo (AGN), una galassia con un buco nero supermassiccio come motore centrale. Un team internazionale potrebbe ora chiarire il meccanismo di produzione del neutrino e trovare un equivalente di un collisore sulla Terra:una collisione cosmica di materiale proiettato.

Gli AGN sono gli oggetti più energetici del nostro Universo. Alimentato da un buco nero supermassiccio, la materia viene accresciuta e flussi di plasma (i cosiddetti getti) vengono lanciati nello spazio intergalattico. Gli oggetti BL Lac costituiscono una classe speciale di questi AGN, dove il getto punta direttamente verso di noi e domina la radiazione osservata. L'evento del neutrino IceCube-170922A sembra provenire dall'oggetto BL Lac TXS 0506+056, una galassia con un redshift di z=0.34, corrispondente a una distanza percorsa dalla luce di 3,8 miliardi di anni luce. Un'analisi dei dati d'archivio IceCube da parte della collaborazione IceCube aveva rivelato prove di un'attività di neutrini potenziata in precedenza, tra settembre 2014 e marzo 2015.

Altri oggetti BL Lac mostrano proprietà abbastanza simili a quelle di TXS 0506+056. "Era un po' un mistero, però, perché solo TXS 0506+056 è stato identificato come emettitore di neutrini, " spiega Silke Britzen del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), l'autore principale dell'articolo. "Volevamo svelare ciò che rende speciale TXS 0506+056, comprendere il processo di creazione del neutrino e localizzare il sito di emissione e ha studiato una serie di immagini radio ad alta risoluzione del getto."

Con loro grande sorpresa, i ricercatori hanno scoperto un'interazione inaspettata tra il materiale del getto in TXS 0506+056. Mentre di solito si presume che il plasma a getto scorra indisturbato in una sorta di canale, la situazione sembra diversa in TXS 0506+056. Il team propone che l'attività del neutrino potenziata durante il brillamento del neutrino nel 2014-2015 e il singolo neutrino EHE. IceCube-170922A potrebbe essere stato generato da una collisione cosmica all'interno della sorgente.

Questa collisione cosmica può essere spiegata dal fatto che il nuovo materiale del getto si schianta contro il materiale del getto più vecchio. Una struttura a getto fortemente curvata fornisce l'impostazione adeguata per un tale scenario. Un'altra spiegazione riguarda la collisione di due getti nella stessa sorgente. In entrambi gli scenari, è la collisione di materiale proiettato che genera il neutrino. Markus Böttcher della North-West University di Potchefstroom (Sud Africa), un coautore del documento, ha eseguito i calcoli per quanto riguarda la radiazione e l'emissione di particelle. "Questa collisione di materiale a getto è attualmente l'unico meccanismo praticabile che può spiegare il rilevamento del neutrino da questa fonte. Ci fornisce anche importanti informazioni sul materiale del getto e risolve una domanda di vecchia data se i getti siano leptonici, costituito da elettroni e positroni; o adronico, costituito da elettroni e protoni; o una combinazione di entrambi. Almeno una parte del materiale del getto deve essere adronico, altrimenti non avremmo rilevato il neutrino."

Nel corso dell'evoluzione cosmica del nostro Universo, le collisioni di galassie sembrano essere un fenomeno frequente. Supponendo che entrambe le galassie contengano buchi neri supermassicci centrali, la collisione galattica può provocare una coppia di buchi neri al centro. Questa coppia di buchi neri potrebbe eventualmente fondersi e produrre l'equivalente supermassiccio delle fusioni di buchi neri stellari come rilevato nelle onde gravitazionali dalla collaborazione LIGO/Virgo.

Gli AGN con doppi buchi neri a una piccola distanza di soli anni luce sono stati perseguiti per molti anni. Però, sembrano essere rari e difficili da identificare. Oltre alla collisione del materiale spruzzato, il team ha anche trovato prove di una precessione del getto centrale di TXS 0506+056. Secondo Michal Zajaček del Centro di Fisica Teorica, Varsavia:"Questa precessione può in generale essere spiegata dalla presenza di un buco nero binario supermassiccio o dall'effetto di precessione Lense-Thirring come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Quest'ultimo potrebbe anche essere innescato da un secondo, buco nero più distante al centro. Entrambi gli scenari portano a un vagare della direzione del getto, che osserviamo».

Christian Fendt del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg è stupito:"Più guardiamo da vicino alle sorgenti del getto, più complicata appare la struttura interna e la dinamica del getto. Mentre i buchi neri binari producono una struttura di deflusso più complessa, la loro esistenza è naturalmente attesa dai modelli cosmologici della formazione delle galassie mediante fusioni di galassie".

Silke Britzen sottolinea il potenziale scientifico dei risultati:"È fantastico capire la generazione di neutrini studiando l'interno dei getti. E sarebbe una svolta se la nostra analisi avesse fornito un altro candidato per una sorgente binaria di getti di buco nero con due getti".

Sembra essere la prima volta che viene segnalata una potenziale collisione di due getti su scale di pochi anni luce e che la rivelazione di un neutrino cosmico potrebbe essere ricondotta a una collisione di getti cosmici.

Mentre TXS 0506+056 potrebbe non essere rappresentativo della classe degli oggetti BL Lac, questa sorgente potrebbe fornire la configurazione adeguata per un'interazione ripetuta di materiale proiettato e la generazione di neutrini.