Correlation of galactic very-high-energy gamma-ray sources detected by LHAASO with high-energy neutrinos
Deze studie vindt geen overtuigend bewijs voor een ruimtelijke correlatie tussen door LHAASO gedetecteerde zeer hoogenergetische gammabronnen en IceCube hoogenergetische neutrino-alerts, wat suggereert dat de huidige LHAASO-bronnen onwaarschijnlijk de primaire tegenhangers zijn van deze neutrino's en de noodzaak benadrukt voor gevoeligere toekomstige instrumenten zoals IceCube-Gen2.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep in het bevroren ijs van het Antarctische continent ligt een enorme detector, ontworpen om de meest ongrijpbare boodschappers van het universum op te vangen: hoogenergetische neutrino's. Dit zijn spookachtige deeltjes, bijna massaloos en elektrisch neutraal, die door de kosmos kunnen reizen zonder te worden tegengehouden door sterren, gas of stof. Decennialang hebben wetenschappers naar hun oorsprong gezocht, in de hoop dat ze de locaties zouden onthullen van de meest gewelddadige en energetische motoren in onze melkweg. Tegelijkertijd scant een ander soort observatorium in China, gelegen op een hoog bergplateau, de hemel naar zeer hoogenergetische gammastralen. Dit zijn de meest energetische vormen van licht, vaak geproduceerd wanneer kosmische stralen — snel bewegende atoomkernen — tot ongelooflijke snelheden worden versneld. Een langlopend mysterie in de astrofysica is of deze gammastralen worden gecreëerd door elektronen of door protonen. Als ze afkomstig zijn van protonen, zouden dezelfde botsingen ook neutrino's moeten produceren. Het vinden van een gammafotonbron en een neutrino die uit exact dezelfde plek aan de hemel komen, zou het sluitende bewijs zijn dat het universum protonen versnelt naar energieën die veel verder gaan dan wat welke door de mens gemaakte machine ook kan bereiken.
Een team van onderzoekers is onlangs een onderzoek gestart om deze verbinding te testen met behulp van gegevens van twee belangrijke observatoria: het Large High Altitude Air Shower Observatory, bekend als LHAASO, en het IceCube Neutrino Observatory. LHAASO heeft de hemel in kaart gebracht en negentig afzonderlijke bronnen van zeer hoogenergetische gammastraling geïdentificeerd, waarvan sommige energieën bereiken die een miljoen keer hoger zijn dan die van medische röntgenstraling. IceCube heeft ondertussen honderden hoogenergetische neutrino-gebeurtenissen geregistreerd die zijn gemarkeerd als potentiële signalen uit de diepe ruimte. De wetenschappers stelden een eenvoudige maar diepzinnige vraag: overlappen deze gammafotonbronnen en neutrino-gebeurtenissen elkaar in de lucht? Als de gammastralen inderdaad het bijproduct zijn van protonbotsingen, zouden de neutrino's uit dezelfde plaatsen moeten komen.
Om dit te beantwoorden, vergeleken de onderzoekers de posities van de negentig door LHAASO gevonden gammafotonbronnen met de locaties van 348 door IceCube geregistreerde neutrino-gebeurtenissen. Ze concentreerden zich specifiek op de meest energetische neutrino's, die met energieën boven de 100 TeV, omdat dit de deeltjes zijn die het meest waarschijnlijk gelinkt zijn aan de krachtige versnellers die LHAASO heeft gespot. Het team zocht naar elk geval waarin de onzekere positie van een neutrino-gebeurtenis het gebied van een gammafotonbron raakte. Ze vonden verschillende dergelijke overlappingen. In negen gevallen leek een neutrino-gebeurtenis een locatie te delen met een gammafotonbron bij het gebruik van een strikte definitie van positie-onzekerheid, en in tien gevallen wanneer de definitie iets ruimer werd gehanteerd.
Het vinden van twee dingen op dezelfde plek betekent echter niet altijd dat ze gerelateerd zijn. De hemel is vol met bronnen, en neutrino's kunnen overal vandaan komen. Om te bepalen of deze overlappingen betekenisvol waren of slechts een toevallige samenloop van omstandigheden, voerde het team een massale computersimulatie uit. Ze schudden de posities van de neutrino's duizenden keren door de hemel, waarbij de gammafotonbronnen vast bleven staan, om te zien hoe vaak een willekeurig neutrino door puur toeval nabij een bron zou landen. De resultaten van deze simulatie lieten zien dat de overlappingen die ze vonden niet zeldzaam waren. Sterker nog, de statistische waarschijnlijkheid dat men dit aantal overlappingen door toeval zou zien, was vrij hoog. Dit betekent dat de gegevens de opvatting niet ondersteunen dat de gammafotonbronnen en de neutrino's fysiek met elkaar verbonden zijn. De ruimtelijke samenval lijkt eerder een toevalstreffer dan een teken van een gedeelde oorsprong.
De onderzoekers gingen een stap verder door een theoretische vraag te stellen: zelfs als de posities overeenkwamen, zouden deze bronnen dan daadwerkelijk genoeg neutrino's kunnen produceren om te verklaren wat IceCube ziet? Ze gingen uit van het meest gunstige scenario mogelijk: dat elke gedetecteerde gammafoton door LHAASO werd gecreëerd door protonen die botsen met gas, een proces dat onvermijdelijk neutrino's produceert. Onder deze aanname berekenden ze de maximale hoeveelheid neutrino's die deze bronnen naar ons toe zouden kunnen sturen. Wanneer ze deze theoretische maximum vergeleken met het werkelijke aantal door IceCube gedetecteerde neutrino's, waren de resultaten teleurstellend. Voor het overgrote deel van de bronnen was de theoretische neutrino-output veel te laag om de geobserveerde neutrino-gebeurtenissen te verklaren. Zelfs in het meest optimistische geval, waarbij elke gammafoton een teken is van protonactiviteit, hebben de bronnen simpelweg niet de kracht om de neutrino's te produceren die IceCube opvangt.
Dit onderzoek sluit niet de mogelijkheid uit dat sommige van deze bronnen inderdaad kosmische deeltjesversnellers zijn, maar het suggereert dat zij niet degenen zijn die verantwoordelijk zijn voor de specifieke neutrino-gebeurtenissen die tot nu toe zijn gedetecteerd. Het gebrek aan een sterke link impliceert dat ofwel de gammafotonen worden geproduceerd door elektronen in plaats van protonen, of dat de neutrino's afkomstig zijn van andere, nog niet ontdekte bronnen. De bevindingen benadrukken een gat in onze huidige kennis en wijzen op de noodzaak van nauwkeurigere instrumenten. De onderzoekers concluderen dat we, om het mysterie van de galactische kosmische stralen echt op te lossen, detectoren nodig hebben met een veel grotere gevoeligheid, zoals de komende IceCube-Gen2, die in staat zal zijn om zwakkere signalen op te vangen en bronnen met veel hogere precisie aan te wijzen. Tot die tijd blijft de verbinding tussen deze hoogenergetische gammafoton-bakens en de spookachtige neutrino's een open vraag, wachtend op duidelijker bewijs van de volgende generatie kosmische observatoria.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.