שיתוף פעולה בין גלאי הנייטרינו לטלסקופ חלל הביא לראשונה לזיהוי מקור המייצר קרינה קוסמית

המקור הוא חור שחור פעיל במרכזה של גלקסיה במרחק 3.7 מיליארד שנות אור * פרופ’ דפנה גואטה מהמחלקה לפיזיקה במכללה האקדמית להנדסה בראודה, המשתתפת בפרויקט אומרת כי התגלית פתרה שאלה בתחום האסטרופיזיקה שהיתה עד היום פתוחה

נייטרינו, חלקיקי הרפאים שבקושי מקיימים מגע עם חומר רגיל, נצפו בעבר כמגיעים מסופרנובות (כוכבים מתפוצצים) ומהשמש. כעת גילה הגלאי הענק IceCube בקוטב הדרומי כי גם בלזארים, גלקסיות שבמרכזן חור שחור מאסיבי מייצר חלקיקי נייטרינו בעוצמה חזקה פי מיליונים מזו של סופרנובות וכוכבים.

לפני כ-3.7 מיליארד שנה, כאשר כדור הארץ היה עדיין בחיתוליו, התפרצה קרינה מחור שחור מאסיבי פי מיליארד מהשמש בסילון שעשה את דרכו ופגש את כדור הארץ ב-22 בספטמבר 2017.

זו הפעם הראשונה שבה מתגלה מקור של נייטרינו מזה למעלה מ-30 שנה. יתרה מכך, זו הפעם הראשונה שמדענים הצליחו לצפות בחלקיקי נייטרינו עלי אנרגיה גבוהה כשהם מקושרים לאירוע אסטרופיזי ספציפי. התצפית שפורסמה בכתב העת Nature בשבוע שעבר.

חלקיקי נייטרינו (מאיטלקית: “נייטרון קטן”) הם חלקיקים אלמנטריים, ללא מטען חשמלי ובעלי מסה מזערית הנעים במהירות קרובה מאוד למהירות האור ויכולים בדרך כלל לעבור דרך חומר רגיל ללא הפרעה. תכונה זו מאפשרת לאסטרונומים ואסטרופיזיקאים לקבל מידע ממקומות שאינם ניתנים למדידה ישירה בכלים אחרים. מאידך גיסא, תכונה זו של הנייטרינים מקשה מאוד על גילויים ולכן הם מכונים גם “חלקיקי רפאים”. ואכן, כאמור, עד לאחרונה לא זוהה מעולם מקורם של הנייטרינים.
חלקיק נייטרינו אחד כזה המכונה IceCube-170922A, שהתגלה כאמור ב-22 בספטמבר 2017 במעבה הקרח באנטארקטיקה, שלח את חוקרי IceCube, ביניהם פרופ’ דפנה גואטה מהמחלקה לפיזיקה במכללה האקדמית להנדסה ברואדה, לחיפוש קדחתני אחר מוצאו ביקום. התשובה נמצאה על ידי טלסקופ החלל של נאסא “פרמי” (NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope), שזיהה קרינת גמא מאותו המקור שממנו הגיע הנייטרינו – חור שחור על-מסיבי מסוג בלאזר שסילון הקרינה שלו מופנה לכיוון כדור הארץ במרחק 3.7 מיליארד שנות אור מכדור הארץ במרכזה של גלקסיה פעילה.

פרויקט IceCube הוקם בנקודה המדוייקת של הקוטב הדרומי כדי לעקוב אחר פעילות הנייטרינים ומורכב מקמ”ר רבוע של גלאים אופטיים מתוחכמים הנמצאים בעומק ק”מ במעטה הקרח של אנטרקטיקה. כבר ב-2013 זיהו הגלאים של IceCube לראשונה חלקיקי נייטרינו קוסמיים באנרגיות גבוהות והתראה נשלחה למצפים ברחבי העולם במטרה לזהות את מקור השטף שפוגע בכדור הארץ, אך ללא הצלחה. כעת, משנתגלה מקורו של IceCube-170922A, בוצע ניתוח חוזר של מסלולי הנייטרינים שהתגלו ב-2013 ונמצא שגם מקורם באותו מאיץ חלקיקים קוסמי, הנמצא בלב גלקסיה רחוקה.

לפרופ’ גואטה היתה בעבר משרה קבועה באוניברסיטת רומא. ב-2011 היא עברה לארץ מסיבות משפחתיות, והתקבלה למכללה האקדמית בראודה.
“מתחילת הקריירה שלי אני חוקרת את חלקיקי הנייטרינו בעלי אנרגיות גבוהות. התחלתי את המחקר עם פרו’פ אלי וקסמן ממכון ויצמן ואז המשכתי לבד, ומדי פעם גם חוקרת יחד איתו ועם פרופ’ אהוד בכר מהטכניון אך כיום רוב המחקרים שלה נעשים בשיתוף עם חוקרי פרויקט IceCube”.

“העוצמה של הנייטרינו גבוהה פי מיליון מעוצמתו של מאיץ החלקיקים העוצמתי ביותר בעולם. תארו לכם מה אפשר לעשות אם נצליח לגלות כיצד הטבע מייצר אנרגיה כזו”. מסבירה פרופ’ גואטה.
“חלקיקי הנייטרינו הם בעלי אנרגיות גבוהות מאוד של טריליוני אלקטרון וולט, הגבוהות באלפי עד מיליוני מונים מאלו של אירוע הסופרנובה, של התגובות הגרעיניות בשמש או של מאיצי החלקיקים העוצמתיים ביותר בכדור הארץ. “במשך למעלה ממאה שנה מאז התגלתה הקרינה הקוסמית ניסו חוקרים לגלות את מקורה ללא הצלחה, לשם כך הקימו את פרויייקט IceCube. לאחר התגלית אנו יודעים על מקור אחד של נייטרינו, דבר המצביע גם על הימצאות של פרוטונים באותו מקור וזו אינדיקציה שיש שם חומר עם מסה – משהו פיזי, לא רק שדה מגנטי ואלקטרונים.

“אנחנו יודעים שקיימת קרינה קוסמית באנרגיות גבוהות. במשך שנים נערכו ניסויים לאתר את מקור הקרינה הקוסמית אך הם נכשלו באיתור המקורות. הקרינה הקוסמית מורכבת מפרוטונים בעלי מטען. כי יש להם מטען אנחנו מאבדים את הכיוון כי דות מגנטיים וכי יש להם מסה הם לפעמים לא מגיעים עד אלינו.
לחלקיקי נייטרינו לעומת זאת אין מסה ואין מטען ולכן אפשר לשחזר את מקורם ולהבין גם את התהליכים שגרמו להתפרצות. עד היום היתה מחלוקת בשאלה האם הם מתפזרים באופן שווה לכל הכיוונים או שמא הם מרוכזים בסילון שבמקרה פונה לעברינו. מאז גילוי שטף נייטרינו באנרגיות גבוהות בשנת 2013 מנסים הנסיינים לאתר אירועים שבהם נרשמים גם חלקיקי נייטרינו אנרגטים וגם קרני גאמא וזה מה שקרה הפעם. גם טלסקופ החלל פרמי המאתר התפרצויות קרני גאמא, וגם IceCube איתרו את המקור.

שאלה פתוחה באסטרופיזיקה

פרופ’ גואטה מסבירה כי מקור הקרינה הוא גרעין פעיל של גלקסיה, כלומר שהחור השחור זולל חומר מסביבתו, חלקו נכנס לתוך החור השחור ונבלע בתוכו אבל חלק מהחומר יוצא כסילון של קרינה שאנו רואים אותה גם בתחום הגאמא וגם כנייטרינו.

“עד היום לא ידענו ממה עשוי הסילון. לאסטרופיזיקאים היו תיאוריות רבות בנושא. יש כאלה שאומרים שהסילון עשוי רק משדה מגנטי ואלקטרונים ואחרים, ובהם אני, טענו שהסילון חייב להיות מורכב מחומר בריוני (חומר רגיל א.ב.). נייטרינו הם תוצרי לוואי של פרוטונים, ולכן מה שנפלט מהגלקסיה הרחוקה והגיע אלינו מקורו באנרגיה קינטית, ולא רק קרינה אלקטרומגנטית.”

“מדובר בעידן חדש באסטרונומיה, התגלית מעניקה ממד חדש לחקר היקום” אומרת פרופ’ גואטה. “גילוי של מקורות נוספים של נייטרינים יאפשר למעשה יצירת מפה של מאיצי קרינה קוסמית ומחקר מתקדם על פעילותם ולכן תגלית זו היא כה חשובה למדע. מדובר בעידן חדש באסטרונומיה. התגלית מעניקה ממד חדש לחקר היקום”, מסכמת פרופ’ גואטה.

ידיעה על הגילוי באתר The Conversation

חלון חדש ליקום The Conversation

עוד בנושא באתר הידען:

• נויטרינו עם קרח
• חלקיקים מהחלל בעומק הקרח (דיווח על התגלית מ-2013)
• תעלומה מתגלגלת: מאה שנה לגילוי הקרינה הקוסמית
• ‫יקום של חלקיקים