Het heelal zit vol met zo goed als ongrijpbare neutrino’s. Deze ongeladen subatomaire elementaire deeltjes hebben nauwelijks interactie met andere materie. Vooral de neutrino’s met extreem hoge energie zijn interessant voor astrofysici. De bron van deze extreme deeltjes is onbekend.
Op basis van theoretische voorspellingen was er een vermoeden dat tidal disruption events al vroeg in hun evolutie - als ze op hun helderst zijn - hoge-energieneutrino’s kunnen produceren in straalstromen of jets. De eerste hoge-energieneutrino die gekoppeld is aan een tidal disruption event laat echter een aantal verrassende eigenschappen zien. “Het neutrino lijkt niet te zijn geproduceerd zoals we hadden verwacht,” zegt eerste auteur Robert Stein, promovendus aan de Humboldt University in Berlijn.
Het onderzoeksverhaal begint in april 2019, als een team onder leiding van Sjoert van Velzen een nieuw tidal disruption event ontdekt met behulp van de Zwicky Transient Facility, een robotische camera op Palomar Observatory in Califonië, VS. De uitbarsting vond plaats op een afstand van 690 miljoen lichtjaar van de aarde in het sterrenstelsel 2MASX J20570298+1412165, in het sterrenbeeld Dolfijn.
Naast deze optische waarnemingen werden ook meerdere ultraviolet- en röntgenbeelden gemaakt vanuit de ruimte (zowel met de Swift -telescoop als de XMM-Newton-satelliet). En tot slot werden ook radiotelescopen ingezet om het nieuwe event te bekijken: De Karl G. Jansky Very Large Array in New Mexico, VS, en MeerKAT in Zuid-Afrika.
De helderheid piekte in mei 2019, zonder dat er een jet verscheen. Op basis van theoretische voorspellingen leek deze nieuwe bron dan ook geen goede neutrino-kandidaat. Maar toen ontdekte het IceCube Neutrino Observatory op het Amundsen-Scott South Pole Station in Antarctica vijf maanden later, op 1 oktober 2019, een hoge-energieneutrino, genaamd IC191001A, en traceerde die terug naar een afgebakend stuk aan de hemel, precies waar het tidal disruption event plaatsvond. Het team berekende dat er een kans is van slechts 1 op de 500 dat deze associatie per toeval zou ontstaan. De vraag was vervolgens hoe het neutrino’s heeft kunnen produceren.
(tekst loopt door onder video)
Voor het antwoord waren de waarnemingen met radiotelescopen essentieel. De radio-emissie bleef nog maandenlang stabiel, wat aantoont dat de versnelling van de deeltjes ook kan plaatsvinden na de helderheidspiek in zichtbaar licht. Na een analyse van alle gegevens blijven er drie mogelijke locaties over voor de productie van neutrino’s in tidal disruption events: in de buitendelen van de schijf door botsingen met UV-licht, in de binnendelen door botsingen met röntgenstraling, of in de uitstroom van deeltjes door botsingen met andere deeltjes.
Van Velzen heeft een voorkeur voor het model waarin het waargenomen neutrino zijn oorsprong vindt in het buitengebied van de schijf: “In dit deel is de dichtheid van UV-fotonen zo hoog dat het heel makkelijk is om neutrino’s te produceren met de energie die we hebben waargenomen.”
“De voorspelling dat neutrino’s en tidal disruptions gerelateerd zouden kunnen zijn is pas een paar jaren geleden gedaan,” aldus van Velzen. “Dat we het nu voor het eerst kunnen meten is natuurlijk ontzettend mooi. Met de detectie van slechts een neutrino komen we veel meer te weten over wat er gebeurt wanneer een ster in een zwart gat valt.”