Un nuovo modello collega le origini dei neutrini ad altissima energia, raggi cosmici ad altissima energia, e raggi gamma ad alta energia con getti di buco nero incorporati nei loro ambienti.

Uno dei più grandi misteri della fisica delle astroparticelle è stata l'origine dei raggi cosmici ad altissima energia, neutrini ad altissima energia, e raggi gamma ad alta energia. Ora, un nuovo modello teorico rivela che potrebbero essere tutti lanciati nello spazio dopo che i raggi cosmici sono stati accelerati da potenti getti di buchi neri supermassicci.

Il modello spiega le origini naturali di tutti e tre i tipi di particelle "messaggere cosmiche" simultaneamente, ed è il primo modello astrofisico del suo genere basato su calcoli numerici dettagliati. Un articolo scientifico che descrive questo modello, prodotto da scienziati della Penn State e dell'Università del Maryland, sarà pubblicato come pubblicazione online anticipata sul sito web della rivista Fisica della natura il 22 gennaio 2018.

"Il nostro modello mostra un modo per capire perché questi tre tipi di particelle messaggere cosmiche hanno una quantità sorprendentemente simile di energia in ingresso nell'universo, nonostante il fatto che siano osservati da rivelatori spaziali e terrestri oltre dieci ordini di grandezza nell'energia delle singole particelle, " ha detto Kohta Murase, assistente professore di fisica e astronomia e astrofisica alla Penn State. "Il fatto che le intensità misurate dei neutrini ad altissima energia, raggi cosmici ad altissima energia, e i raggi gamma ad alta energia sono più o meno comparabili ci hanno portato a chiederci se queste particelle estremamente energetiche abbiano qualche connessione fisica. Il nuovo modello suggerisce che i neutrini ad altissima energia e i raggi gamma ad alta energia sono prodotti naturalmente tramite collisioni di particelle come particelle figlie dei raggi cosmici, e quindi possono ereditare il bilancio energetico comparabile delle loro particelle madri. Dimostra che l'energia simile dei tre messaggeri cosmici potrebbe non essere una semplice coincidenza."

I raggi cosmici ad altissima energia sono le particelle più energetiche dell'universo, ognuna di esse trasporta un'energia che è troppo alta per essere prodotta anche dal Large Hadron Collider, il più potente acceleratore di particelle al mondo. I neutrini sono particelle misteriose e spettrali che difficilmente interagiscono con la materia. Neutrini ad altissima energia, con energia superiore a un milione di mega-elettronvolt, sono stati rilevati nell'osservatorio di neutrini IceCube in Antartide. I raggi gamma hanno la più alta energia elettromagnetica conosciuta:quelli con energie più di un miliardo di volte superiori a un fotone di luce visibile sono stati osservati dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi e da altri osservatori terrestri. "Combinare tutte le informazioni su questi tre tipi di messaggeri cosmici è complementare e rilevante, e un tale approccio multi-messaggero è diventato estremamente potente negli ultimi anni, " disse Murase.

Murase e il primo autore di questo nuovo articolo, Ke Fang, un associato post-dottorato presso l'Università del Maryland, tentativo di spiegare gli ultimi dati multi-messaggero da neutrini ad altissima energia, raggi cosmici ad altissima energia, e raggi gamma ad alta energia, basato su un unico ma realistico setup astrofisico. Hanno scoperto che i dati multi-messaggero possono essere spiegati bene utilizzando simulazioni numeriche per analizzare il destino di queste particelle cariche.

"Nel nostro modello, i raggi cosmici accelerati da potenti getti di nuclei galattici attivi sfuggono attraverso i radiolobi che spesso si trovano all'estremità dei getti, " Ha detto Fang. "Quindi calcoliamo la propagazione e l'interazione dei raggi cosmici all'interno di ammassi e gruppi di galassie in presenza del loro campo magnetico ambientale. Simuliamo ulteriormente la propagazione e l'interazione dei raggi cosmici nei campi magnetici intergalattici tra la sorgente e la Terra. Infine integriamo i contributi di tutte le fonti dell'universo."

I principali sospetti nel mistero di mezzo secolo dell'origine delle particelle cosmiche di più alta energia nell'universo erano in galassie chiamate "nuclei galattici attivi, " che hanno una regione centrale superradiante attorno al buco nero supermassiccio centrale. Alcuni nuclei galattici attivi sono accompagnati da potenti getti relativistici. Le particelle cosmiche ad alta energia generate dai getti o dai loro ambienti vengono lanciate nello spazio quasi alla stessa velocità la velocità della luce.

"Il nostro lavoro dimostra che i raggi cosmici ad altissima energia che fuoriescono dai nuclei galattici attivi e dai loro ambienti come ammassi e gruppi di galassie possono spiegare lo spettro e la composizione dei raggi cosmici ad altissima energia. Può anche spiegare alcuni dei fenomeni inspiegabili scoperti da esperimenti a terra, " disse Fang. "Contemporaneamente, lo spettro dei neutrini ad altissima energia sopra i cento milioni di mega-elettronvolt può essere spiegato dalle collisioni di particelle tra i raggi cosmici e il gas negli ammassi e gruppi di galassie. Anche, l'emissione di raggi gamma associata proveniente dagli ammassi di galassie e dallo spazio intergalattico corrisponde alla parte inspiegabile del fondo diffuso di raggi gamma ad alta energia che non è associata a un particolare tipo di nucleo galattico attivo".

"Questo modello apre la strada a ulteriori tentativi di stabilire un modello grand-unificato di come tutti e tre questi messaggeri cosmici siano fisicamente collegati tra loro dalla stessa classe di sorgenti astrofisiche e dai meccanismi comuni di neutrini ad alta energia e raggi gamma. produzione, " Murase ha detto. "Tuttavia, ci sono anche altre possibilità, e molti nuovi misteri devono essere spiegati, compresi i dati sui neutrini nella gamma di dieci milioni di mega-elettronvolt registrati dall'osservatorio di neutrini IceCube in Antartide. Perciò, ulteriori indagini basate su approcci multi-messaggero, che combinano la teoria con tutti e tre i dati del messaggero, sono cruciali per testare il nostro modello".

Il nuovo modello dovrebbe motivare gli studi di ammassi e gruppi di galassie, così come lo sviluppo di altri modelli unificati di particelle cosmiche ad alta energia. Si prevede che verrà testato rigorosamente quando inizieranno le osservazioni con i rivelatori di neutrini di prossima generazione come IceCube-Gen2 e KM3Net, e il telescopio a raggi gamma di nuova generazione, Matrice del telescopio Cherenkov.

"L'era d'oro dell'astrofisica delle particelle multi-messaggero è iniziata molto di recente, " disse Murase. "Ora, tutte le informazioni che possiamo apprendere da tutti i diversi tipi di messaggeri cosmici sono importanti per rivelare nuove conoscenze sulla fisica delle particelle cosmiche di energia estrema e una comprensione più profonda del nostro universo".