La probabilità pre-processo che il segnale osservato sia dovuto allo sfondo in una finestra di 5x5 gradi attorno al punto più significativo dell'emisfero settentrionale (il punto più caldo); la croce nera segna le coordinate Fermi-3FGL della galassia NGC 1068. Credito:IceCube Collaboration
Da oltre un secolo, gli scienziati hanno osservato particelle cariche ad altissima energia chiamate raggi cosmici che arrivano dall'esterno dell'atmosfera terrestre. Le origini di queste particelle sono molto difficili da individuare perché le particelle stesse non viaggiano su un percorso rettilineo verso la Terra. Anche i raggi gamma, un tipo di fotone ad alta energia che offre un po' più di informazioni, vengono assorbiti quando si percorrono lunghe distanze.
L'Osservatorio dei neutrini IceCube, una serie di moduli ottici sepolti in un chilometro cubo di ghiaccio al Polo Sud, va a caccia di sorgenti di raggi cosmici all'interno e all'esterno della nostra galassia, estendendosi a galassie a più di miliardi di anni luce di distanza, utilizzando suggerimenti da particelle sfuggenti chiamate neutrini. Questi neutrini dovrebbero essere prodotti da collisioni di raggi cosmici con gas o radiazioni vicino alle sorgenti.
A differenza dei raggi cosmici, i neutrini non vengono assorbiti o deviati nel loro cammino verso la Terra, rendendoli uno strumento pratico per localizzare e comprendere gli acceleratori cosmici. Se gli scienziati possono trovare una fonte di neutrini astrofisici ad alta energia, questa sarebbe una pistola fumante per una sorgente di raggi cosmici.
Dopo 10 anni di ricerca sulle origini dei neutrini astrofisici, una nuova ricerca all-sky fornisce la sonda più sensibile dell'emissione di neutrini integrata nel tempo di sorgenti puntiformi. La collaborazione IceCube presenta i risultati di questa scansione in un documento presentato di recente a Lettere di revisione fisica .
Tessa Carver ha condotto questa analisi sotto la supervisione di Teresa Montaruli nel Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire dell'Università di Ginevra in Svizzera. "IceCube ha già osservato un flusso astrofisico di neutrini, quindi sappiamo che esistono e sono rilevabili, semplicemente non sappiamo esattamente da dove vengono, "dice Carver, ora un postdoc all'Università di Cardiff. "È solo questione di tempo e precisione finché non saremo in grado di identificare le fonti dietro questo flusso di neutrini".
La sfida principale nella ricerca di sorgenti di neutrini astrofisici con IceCube è lo sfondo schiacciante degli eventi indotti dalle interazioni dei raggi cosmici nella nostra atmosfera. Il segnale di deboli sorgenti di neutrini deve essere estratto tramite sofisticate tecniche di analisi statistica.
Utilizzando questi metodi, Carver e i suoi collaboratori hanno "scansionato" l'intero cielo per cercare sorgenti di neutrini puntiformi in posizioni arbitrarie. Questo metodo di scansione è in grado di identificare sorgenti di neutrini molto luminose che potrebbero essere invisibili ai raggi gamma, che si producono anche nelle collisioni di raggi cosmici.
Per essere sensibili alle sorgenti più deboli, hanno anche analizzato 110 candidati fonti galattiche ed extragalattiche, che sono stati osservati tramite raggi gamma. Hanno quindi combinato i risultati ottenuti per le singole fonti in questo elenco in una "analisi della popolazione, " che cerca un tasso più alto del previsto di risultati significativi dalla ricerca nell'elenco delle singole fonti. Ciò consente ai ricercatori di trovare emissioni significative di neutrini, anche se le fonti nell'elenco sono troppo deboli per essere osservate singolarmente.
I ricercatori hanno anche impiegato una "ricerca accatastata" per tre cataloghi di sorgenti di raggi gamma all'interno della nostra galassia. Questa ricerca mette insieme tutte le emissioni da gruppi di oggetti noti dello stesso tipo assumendo che abbiano proprietà di emissione ben note. Sebbene possa ridurre significativamente l'emissione per sorgente necessaria per osservare un grande eccesso di segnale sullo sfondo, questa ricerca è limitata in quanto richiede una maggiore conoscenza delle fonti in catalogo.
Mentre le diverse analisi non hanno scoperto sorgenti di neutrini stabili, i risultati sono comunque entusiasmanti:alcuni degli oggetti nel catalogo delle sorgenti note hanno mostrato un flusso di neutrini più alto del previsto, con eccessi a livello 3σ. In particolare, la scansione di tutto il cielo ha rivelato che la posizione "più calda" nel cielo è a soli 0,35 gradi di distanza dalla galassia starburst NGC 1068, che ha un eccesso di 2,9σ sullo sfondo. NGC 1068 è uno dei buchi neri più vicini a noi; è immerso in una regione di formazione stellare con molta materia con cui i neutrini possono interagire mentre i raggi gamma ad alta energia vengono attenuati, come mostrato dalle misurazioni Fermi e MAGIC. Questo è l'eccesso più significativo visto oltre a TXS 0506+056, la fonte del 2017 che IceCube ha trovato coincidente con un bagliore di raggi gamma. Ancora, queste potenziali sorgenti di neutrini richiedono più dati con un rivelatore più sensibile, come IceCube-Gen2, essere confermato.
I ricercatori hanno anche scoperto che il catalogo delle fonti dell'emisfero settentrionale nel suo insieme differiva dalle aspettative di fondo con un significato di 3,3σ. Carver afferma che questi risultati dimostrano una forte motivazione a continuare ad analizzare gli oggetti in catalogo. Analisi dipendenti dal tempo, che cercano razzi di emissione massima, e la possibilità di correlare l'emissione di neutrini con le osservazioni di onde elettromagnetiche o gravitazionali per queste e altre sorgenti può fornire ulteriori prove dell'emissione di neutrini e approfondimenti sull'origine dei neutrini. Con la continua acquisizione di dati, ricostruzione della direzione più raffinata, e il prossimo aggiornamento IceCube, ulteriori miglioramenti della sensibilità sono all'orizzonte.
Skymap di -log10(plocal), dove plocal è il p-value pre-processuale locale, per l'area compresa tra ±82 gradi di declinazione in coordinate equatoriali. Gli hotspot dell'emisfero settentrionale e meridionale, definito come il plocale più significativo in un dato emisfero, sono indicati con cerchi neri. Credito:collaborazione IceCube
"Siamo fortunati ad avere l'opportunità unica di essere i primi a mappare l'universo con i neutrini, che offre una prospettiva completamente nuova, " dice Carver. "Inoltre, questo progresso nell'astronomia dei neutrini è accompagnato da grandi passi avanti nella fisica delle onde gravitazionali e nella fisica dei raggi cosmici."
Montaruli aggiunge, "Mentre siamo all'alba di una nuova era dell'astronomia che osserva l'universo non solo con la luce, questa è la prima volta che abbiamo iniziato a vedere eccessi potenzialmente significativi di eventi neutrini candidati attorno a interessanti oggetti extragalattici in ricerche indipendenti dal tempo".
