Solo per la seconda volta, gli astronomi hanno collegato una particella sfuggente chiamata neutrino ad alta energia a un oggetto al di fuori della nostra galassia. Utilizzando strutture a terra e nello spazio, tra cui l'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA, hanno rintracciato il neutrino in un buco nero che fa a pezzi una stella, un raro evento cataclismico chiamato evento di interruzione delle maree.

"Gli astrofisici hanno a lungo teorizzato che le interruzioni di marea potrebbero produrre neutrini ad alta energia, ma questa è la prima volta che siamo effettivamente in grado di collegarli con prove osservative, " ha detto Robert Stein, uno studente di dottorato presso il centro di ricerca tedesco Electron-Synchrotron (DESY) di Zeuthen, Germania, e l'Università Humboldt di Berlino. "Ma sembra che questo particolare evento, chiamato AT2019dsg, non ha generato il neutrino quando o come ci aspettavamo. Ci sta aiutando a capire meglio come funzionano questi fenomeni".

Le scoperte, guidato da Stein, sono stati pubblicati nel numero del 22 febbraio di Astronomia della natura e sono disponibili online. I neutrini sono particelle fondamentali che superano di gran lunga tutti gli atomi dell'universo ma interagiscono raramente con altra materia. Gli astrofisici sono particolarmente interessati ai neutrini ad alta energia, che hanno energie fino a 1, 000 volte più grandi di quelli prodotti dai più potenti acceleratori di particelle sulla Terra. Pensano che gli eventi più estremi dell'universo, come violente esplosioni galattiche, accelerare le particelle quasi alla velocità della luce. Queste particelle poi si scontrano con la luce o altre particelle per generare neutrini ad alta energia. La prima fonte di neutrini ad alta energia confermata, annunciato nel 2018, era un tipo di galassia attiva chiamata blazar.

Gli eventi di interruzione delle maree si verificano quando una stella sfortunata si avvicina troppo a un buco nero. Le forze gravitazionali creano maree intense che rompono la stella in un flusso di gas. La parte finale del flusso sfugge al sistema, mentre la parte principale torna indietro, circondando il buco nero con un disco di detriti. In alcuni casi, il buco nero lancia getti di particelle in rapido movimento. Gli scienziati hanno ipotizzato che le interruzioni delle maree avrebbero prodotto neutrini ad alta energia all'interno di tali getti di particelle. Si aspettavano anche che gli eventi avrebbero prodotto neutrini all'inizio della loro evoluzione, alla massima luminosità, qualunque sia il processo di produzione delle particelle.

AT2019dsg è stato scoperto il 9 aprile 2019, dallo Zwicky Transient Facility (ZTF), una telecamera robotica al Palomar Observatory del Caltech nel sud della California. L'evento si è verificato a oltre 690 milioni di anni luce di distanza in una galassia chiamata 2MASX J20570298+1412165, situato nella costellazione del Delfino.

Come parte di un'indagine di follow-up di routine sulle interruzioni di marea, Stein e il suo team hanno chiesto di essere visibili, ultravioletto, e osservazioni a raggi X con Swift. Hanno anche effettuato misurazioni a raggi X utilizzando il satellite XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea e misurazioni radio con strutture tra cui il Karl G. Jansky Very Large Array del National Radio Astronomy Observatory a Socorro, Nuovo Messico, e il telescopio MeerKAT del South African Radio Astronomy Observatory.

La luminosità di picco andava e veniva a maggio. Nessun getto chiaro è apparso. Secondo previsioni teoriche, AT2019dsg sembrava un povero candidato al neutrino.

Quindi, il 1 ottobre, 2019, l'Osservatorio di neutrini IceCube della National Science Foundation presso la stazione del Polo Sud di Amundsen-Scott in Antartide ha rilevato un neutrino ad alta energia chiamato IC191001A e ha fatto marcia indietro lungo la sua traiettoria fino a una posizione nel cielo. Circa sette ore dopo, ZTF ha notato che questa stessa porzione di cielo includeva AT2019dsg. Stein e il suo team pensano che ci sia solo una possibilità su 500 che l'interruzione della marea non sia la fonte del neutrino. Poiché il rilevamento è avvenuto circa cinque mesi dopo che l'evento ha raggiunto la massima luminosità, solleva interrogativi su quando e come questi eventi producono neutrini.

"Gli eventi di interruzione delle maree sono fenomeni incredibilmente rari, si verifica solo una volta ogni 10, da 000 a 100, 000 anni in una grande galassia come la nostra. Gli astronomi hanno osservato solo poche dozzine a questo punto, ", ha dichiarato il ricercatore principale di Swift S. Bradley Cenko al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Le misurazioni di lunghezze d'onda multiple di ogni evento ci aiutano a saperne di più su di loro come classe, quindi AT2019dsg è stato di grande interesse anche senza un rilevamento iniziale di neutrini."

Per esempio, le interruzioni di marea generano luce visibile e UV nelle regioni esterne dei loro dischi di accrescimento caldi. In AT2019dsg, queste lunghezze d'onda si sono stabilizzate poco dopo aver raggiunto il picco. Questo era insolito perché tali altipiani compaiono in genere solo dopo pochi anni. I ricercatori sospettano il mostro buco nero della galassia, con una massa stimata in 30 milioni di volte quella del Sole, avrebbe potuto costringere i detriti stellari a depositarsi in un disco più rapidamente di quanto avrebbe potuto fare attorno a un buco nero meno massiccio.

AT2019dsg è una delle poche perturbazioni di marea note che emettono raggi X. Gli scienziati pensano che i raggi X provengano dalla parte interna del disco di accrescimento, vicino al buco nero, o da getti di particelle ad alta velocità. I raggi X dell'esplosione sono sbiaditi di un 98% senza precedenti in 160 giorni. Il team di Stein non vede prove chiare che indichino la presenza di getti e suggerisce invece un rapido raffreddamento nel disco che molto probabilmente spiega il precipitoso calo dei raggi X.

Non tutti sono d'accordo con questa analisi. Un'altra spiegazione, scritto da Walter Winter e Cecilia Lunardini di DESY, un professore all'Arizona State University di Tempe, propone che l'emissione provenisse da un jet che è stato rapidamente oscurato da una nuvola di detriti. I ricercatori hanno pubblicato la loro interpretazione alternativa nello stesso numero di Astronomia della natura .

Gli astronomi pensano che l'emissione radio in questi fenomeni provenga dal buco nero che accelera le particelle, sia in getti che in deflussi più moderati. Il team di Stein pensa che AT2019dsg rientri in quest'ultima categoria. Gli scienziati hanno anche scoperto che l'emissione radio è continuata costantemente per mesi e non si è attenuata insieme alla luce visibile e UV, come precedentemente ipotizzato.

Il rilevamento dei neutrini, combinato con le misurazioni di lunghezze d'onda multiple, ha spinto Stein e i suoi colleghi a ripensare al modo in cui le interruzioni delle maree potrebbero produrre neutrini ad alta energia.

L'emissione radio mostra che l'accelerazione delle particelle avviene anche senza chiaro, getti potenti e può funzionare bene dopo il picco UV e la luminosità visibile. Stein e i suoi colleghi suggeriscono che quelle particelle accelerate potrebbero produrre neutrini in tre regioni distinte dell'interruzione della marea:nel disco esterno attraverso collisioni con la luce UV, nel disco interno attraverso collisioni con raggi X, e nel moderato deflusso di particelle attraverso collisioni con altre particelle.

Il team di Stein suggerisce che il neutrino di AT2019dsg probabilmente ha avuto origine dalla parte esterna del disco luminosa ai raggi UV, basato sul fatto che l'energia della particella era più di 10 volte maggiore di quella che può essere ottenuta dai collisori di particelle.

"Abbiamo previsto che i neutrini e le interruzioni di marea potrebbero essere correlati, e vedere che per la prima volta nei dati è semplicemente molto eccitante, " ha detto il co-autore Sjoert van Velzen, un assistente professore presso l'Università di Leiden nei Paesi Bassi. "Questo è un altro esempio del potere dell'astronomia multimessaggero, utilizzando una combinazione di luce, particelle, e increspature spazio-temporali per saperne di più sul cosmo. Quando ero uno studente laureato, è stato spesso predetto che questa nuova era dell'astronomia sarebbe arrivata, ma ora farne davvero parte è molto gratificante".