Rekordowe neutrino uderzyło w Ziemię. To nie był przypadek

Rekordowo energetyczne neutrino z KM3NeT rozpaliło wyobraźnię fizyków. Nowa analiza pokazuje, czy naprawdę mogła je wyemitować czarna dziura.

W głębinach Morza Śródziemnego zarejestrowano sygnał, który zwykłym językiem można streścić tak: w Ziemię trafił pocisk z innego zakątka kosmosu, niosący energię, o jakiej trudno choćby myśleć. To pojedyncze neutrino, czyli subatomowa cząstka, miało według szacunków około 220 PeV, czyli energię większą niż jakakolwiek cząstka stworzona w ziemskich akceleratorach.

Jedna z najbardziej efektownych hipotez mówiła o wybuchającej prymordialnej czarnej dziurze w naszej kosmicznej okolicy. Nowe obliczenia pokazują jednak, iż taka historia jest skrajnie mało prawdopodobna, a prawdziwe źródło może być jeszcze ciekawsze.

Rekordowy duch z głębin morza

Za odkryciem stoi KM3NeT – ogromny teleskop neutrinowy, który zamiast lustra czy soczewek ma tysiące czujników zawieszonych głęboko w wodach Morza Śródziemnego. Ich zadanie jest proste tylko z nazwy: polować na neutrina, jedne z najbardziej nieuchwytnych cząstek we wszechświecie.

Neutrina nazywa się czasem cząstkami-duchami, bo niemal w ogóle nie oddziałują z materią. Potrafią przeniknąć przez całą Ziemię jak przez mgłę – na miliardy, które nas co sekundę bombardują, zaledwie pojedyncze zostawiają ślad w detektorach. Gdy jednak któreś z nich zderzy się z cząstką w wodzie, może wywołać błysk światła, który zanotują czułe fotodetektory. Z tych błysków naukowcy rekonstruują tor i energię przybysza.

W lutym 2023 r. KM3NeT zarejestrował niezwykle efektowne zdarzenie: przez część detektora ARCA przeleciał wysokoenergetyczny mion – cząstka podobna do elektronu, ale cięższa – którego energia została oszacowana na około 120 PeV. Z takich danych wynika, iż neutrino, które go wywołało, musiało mieć jeszcze większą energię, około 220 PeV. To rekord w historii obserwacji neutrin.

Dla porównania, LHC (największy akcelerator cząstek na świecie) przy zderzeniach protonów operuje w zakresie pojedynczych TeV, czyli bilionów elektronowoltów. Tu mówimy o setkach petaelektronowoltów – milion razy więcej. To jak przejście od małej petardy do bomby termojądrowej, jeżeli chodzi o skalę energii pojedynczej cząstki.

Prymordialne czarne dziury, czyli mikroskopijne relikty Wielkiego Wybuchu

Co w ogóle jest w stanie przyspieszyć neutrino do tak niewyobrażalnej energii? Jedna z propozycji, która natychmiast rozpaliła wyobraźnię naukowców, dotyczy tzw. prymordialnych czarnych dziur.

To hipotetyczne czarne dziury, które nie powstały ze śmierci gwiazd, ale uformowały się w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu, z gęstej, falującej materii i energii we wczesnym wszechświecie. W przeciwieństwie do klasycznych czarnych dziur o masach gwiazdowych lub supermasywnych, prymordialne mogły mieć bardzo różne masy – od gór, przez asteroidy, aż po mikroskopijne obiekty mniejsze od góry lodowej.

Tu do gry wchodzi Stephen Hawking. Naukowiec wykazał teoretycznie, iż czarna dziura nie jest całkowicie czarna. Na jej horyzoncie zdarzeń powinna powstawać tzw. promieniowanie Hawkinga, przez co czarna dziura powoli traci masę. Im mniejsza, tym szybciej to robi. Malutka prymordialna czarna dziura mogłaby więc w pewnym momencie wyparować niemal gwałtownie, wypuszczając potężny strumień cząstek o ogromnych energiach, w tym neutrin i wysokoenergetycznego promieniowania gamma.

Scenariusz, który badali naukowcy z Sao Paulo i Madrytu zakładał, iż może gdzieś w naszej kosmicznej okolicy właśnie zakończyła życie taka miniaturowa czarna dziura, a neutrino z jej ostatniego wydechu trafiło prosto w KM3NeT.

Neutrino z wybuchu czarnej dziury? Brzmi pięknie, ale…

Zespół postanowił potraktować tę wizję bardzo technicznie. Najpierw policzono, jak daleko od Ziemi musiałaby eksplodować prymordialna czarna dziura, żeby jej wyparowanie dało pojedynczy sygnał neutrino o energii podobnej do tej, zarejestrowanej przez KM3NeT. Następnie fizycy dodali do tej układanki coś, co często bywa pomijane w prostych, papierowych modelach: rzeczywiste możliwości i ograniczenia różnych obserwatoriów oraz ich pole widzenia w czasie.

Jeśli blisko Ziemi wyparowuje czarna dziura, to nie tylko wypluwa neutrino. Powinna wyemitować także wielki pakiet innych cząstek – przede wszystkim promieniowania gamma o bardzo wysokich energiach oraz tzw. promieni kosmicznych, czyli szybkich jąder atomów i protonów. To oznacza, iż ślad takiego zdarzenia nie powinien pojawić się tylko w detektorach neutrinowych, ale też w obserwatoriach gamma i w instrumentach śledzących prysznice cząstek z atmosfery.

Istotną rolę w tym konkretnym przypadku odgrywa LHAASO – ogromne obserwatorium w Tybecie, które rejestruje najwyższe energie promieniowania gamma i prysznice cząstek wtórnych w atmosferze. Badacze sprawdzili, czy w czasie poprzedzającym rejestrację neutrino KM3NeT LHAASO patrzyło w ten sam rejon nieba i czy w danych nie ma śladu krótkiego, ale bardzo intensywnego błysku gamma.

Wynik był jednoznaczny. Gdyby we właściwym miejscu wyparowała prymordialna czarna dziura o parametrach potrzebnych do wytworzenia tak energetycznego neutrino, LHAASO powinno zobaczyć potężny sygnał kilka godzin wcześniej. Takiego śladu jednak nie ma. To bardzo poważnie podcina skrzydła hipotezie o lokalnej, wybuchającej czarnej dziurze jako źródle tego konkretnego zdarzenia neutrinowego.

Jeśli nie wybuchająca czarna dziura, to co?

To, iż jedna z bardziej spektakularnych hipotez okazuje się mało wiarygodna, nie czyni samego zdarzenia mniej ekscytującym. Wręcz przeciwnie – zostawia fizyków z pytaniem, jaki obiekt astrofizyczny potrafi wysłać pojedyncze neutrino o energii 220 PeV w naszą stronę?

Podejrzani numer 1 to ekstremalne akceleratory cząstek w kosmosie. Mogą to być dżety wyrzucane z okolic supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk, aktywne jądra galaktyczne czy blazary, w których relatywistyczne strumienie plazmy są skierowane niemal prosto ku Ziemi. Inną opcją są potężne wybuchy gwiazd, zderzenia gwiazd neutronowych albo pozostałości po wielokrotnych eksplozjach supernowych, gdzie fale uderzeniowe mogą przyspieszać cząstki do niebotycznych energii.

Na razie dla rekordzisty z KM3NeT nie ma jednoznacznie przypisanego gospodarza na niebie. Zdarzenie pokazuje jednak bardzo wyraźnie, iż Wszechświat potrafi budować akceleratory znacznie potężniejsze niż wszystko, co umieliśmy do tej pory zbudować na Ziemi. I iż neutrino-astronomia jest jednym z najlepszych sposobów, by do nich zajrzeć.