ใจกลางกาแลคซีที่สร้างนิวตริโนพลังงานสูง

 

ภาพมุมกว้างแสดง M77 หรือ NGC 1068 หรือ Squid Galaxy image credit: KuriousGeorge/ S&T Online Photo Gallery

     นักดาราศาสตร์ได้เชื่อมโยงนิวตริโนหลายสิบอนุภาคที่หอสังเกตการณ์ไอซ์คิวป์ได้พบ เข้ากับกาแลคซีใกล้เคียงแห่งหนึ่งในกลุ่มดาววาฬ(Cetus)

     กาแลคซีใกล้เคียงแห่งนี้ซึ่งมีชื่อว่า M77(หรือ Squid Galaxy) เป็นกาแลคซีกังหันแบบมีคาน(barred spiral) โดยมีแขนกังหันที่ห่ออย่างหลวมๆ และส่วนป่องในใจกลาง(central bulge) ที่ค่อนข้างเล็ก แต่ M77 เป็นกาแลคซีกัมมันต์(active galaxy Seyfert II) เมื่อมองจากโลกจะเอียงด้วยองศาระดับหนึ่ง ซึ่งจะปิดบังพื้นที่ใจกลางของมันที่มีหลุมดำฝังตัวอยู่ ในซีเฟิร์ต 2 วงแหวนฝุ่นจะปิดบังการแผ่รังสีพลังงานสูงที่ถูกสร้างโดยก๊าซและอนุภาคที่ไหลลงสู่หลุมดำไว้เกือบทั้งหมด 

      แต่ M 77 กำลังยิงนิวตริโน(neutrinos) พลังงานสูงออกมาในอวกาศ Aart Heijboer จาก Nikhef อัมสเตอร์ดัม เนเธอร์แลนด์ส กล่าวว่า เท่าที่ทราบ นี่เป็นวัตถุลำดับที่สองที่ผลิตนิวตริโนออกมา นิวตริโนไม่มีประจุ และเป็นอนุภาคมูลฐานที่แทบไม่มีมวล ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่นได้ยากมาก ด้วยความเร็วใกล้เคียงแสง พวกมันจะวิ่งผ่านทุกๆ สิ่งที่อยู่ตามเส้นทางได้อย่างง่ายดาย ด้วยเหตุนี้ จึงตรวจสอบได้ยากมากๆ

       แต่ไม่ใช่สำหรับหอสังเกตการณ์นิวตริโนไอซ์คิวป์(IceCube) ที่ขั้วโลกใต้ ซึ่งเป็นกลุ่มของเครื่องตรวจจับความไวแสงสูงมากกว่า 5000 ตัวซึ่งฝังอยู่ลึกระหว่าง 1.5 ถึง 2.5 กิโลเมตรใต้น้ำแข็งในแอนตาร์กติกาในพื้นที่ 1 ตารางกิโลเมตร ไอซ์คิวป์บันทึกแสงวาบ
น้อยๆ ซึ่งเกิดขึ้นจากมิวออน(muon; อิเลคตรอนหนัก) ที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์นานๆ ครั้งระหว่างนิวตริโนกับนิวเคลียสอะตอมในน้ำแข็งนี้

      ตามที่รายงานในวารสาร Science วันที่ 4 พฤศจิกายน 2022 กลุ่มไอซ์คิวป์ได้พบนิวตริโนพลังงานสูง(ระดับเทร่าอิเลคตรอนโวลท์) ถึง 79 ครั้งในข้อมูลที่รวบรวมระหว่าง 2011 ถึง 2020 มาจากทิศทางของกาแลคซีกังหัน NGC 1068(M77) อยู่ห่างออกไปเพียง 46 ล้านปีแสงเท่านั้น กาแลคซีอันดับความสว่าง(magnitude) 9 เป็นเป้าหมายที่ง่ายสำหรับกล้องดูดาวสมัครเล่น

ภาพจากศิลปินแสดงสายที่ติดตั้งเครื่องตรวจจับมิวออนของไอซ์คิวป์ใต้ผืนน้ำแข็ง ด้วยการตามรอยมิวออนย้อนเส้นทางกลับไป นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถหาเส้นทางนิวตริโนที่วิ่งเข้ามา ไปจนถึงแหล่งกำเนิดของพวกมัน

     ในกาแลคซีซึ่งอุดมไปด้วยกลุ่มฝุ่นหนา มีหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่มีมวลหลายสิบล้านเท่าดวงอาทิตย์ แกนกลางของกาแลคซียังสร้างรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา ซึ่งบอกถึงกระบวนการทรงพลังอย่างสุดขั้วที่เกิดขึ้นที่นั่น นิวตริโนพลังงานสูงที่ไอซ์คิวป์ได้พบ ก็น่าจะถูกสร้างขึ้นเมื่ออนุภาคมีประจุทรงพลังถูกเร่งความเร็วขึ้นโดยสนามแม่เหล็กท้องถิ่น และชนเข้ากับวัสดุสารที่อยู่รอบข้าง

      Heijboer ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับผลสรุปใหม่จากไอซ์คิวป์บอกว่า นิวตริโนจะให้โอกาสอันเป็นอัตลักษณ์ในการศึกษาเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์ในอวกาศที่น่าจะทำงานในแกนกลางของ M77 รังสีเอกซ์และแกมมาจากในแกนกลางกาแลคซีนี้บางส่วนก็ถูกดูดซับโดยวัสดุสารรอบข้าง ในขณะที่อนุภาคมีประจุจะวิ่งไปตามสนามแม่เหล็กในกาแลคซี และไม่สามารถตามรอยกลับไปถึงจุดกำเนิดของพวกมันได้

     เมื่อปี 2018 ไอซ์คิวป์ได้เคยจำแนกนิวตริโนพลังงานสูงจากอีกแหล่งหนึ่ง เป็นกาแลคซีกิจกรรมสูงมากที่ยิงไอพ่นพลาสมามาทางโลก บลาซาร์(blazar) แห่งนี้ ซึ่งเรียกว่า TXS 0506+056 อยู่ห่างออกไป 3.7 พันล้านปีแสงที่ไหล่ซ้ายของนายพราน(Orion) อย่างไรก็ตาม Heijboer บอกว่าบลาซาร์สร้างนิวตริโนเป็นครั้งๆ ไป ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับรังสีแกมมาที่สว่างขึ้นอย่างมากซึ่งตรวจพบโดยเฟอร์มี แต่แหล่งใหม่นี้สร้างกระแสนิวตริโนอย่างต่อเนื่อง จนเราสามารถนับจำนวนได้ในอนาคต

ภาพจากศิลปินแสดงบลาซาร์(blazer) มีหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่ใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่งกำลังกลืนก๊าซอย่างตะกละและจากนั้นก็พ่นก๊าซบางส่วนกลับออกมาเป็นไอพ่นสัมพัทธภาพที่ชี้มาทางโลก ไอพ่นนี้สามารถสร้างนิวตริโนได้ตลอดที่มันเดินทางมาถึงโลกอย่างเช่นในกรณีของ TXS 0506+056 แต่บลาซาร์ก็ไม่ได้เป็นผู้ผลิตนิวตริโนเพียงรายเดียวในอวกาศ  

     Francis Halzen ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน และผู้นำปฏิบัติการไอซ์คิวป์ กล่าวว่า นิวตริโนอนุภาคเดียวคงบอกแหล่งที่มาไม่ได้ แต่ถ้ามีการสำรวจนิวตริโนจำนวนมาก จะเผยให้เห็นแกนกลางวัตถุในอวกาศที่ทรงพลังที่สุดที่ถูกปิดบังไว้

      ก่อนหน้านี้ในปีนี้เอง นักวิทยาศาสตร์ได้รายงานความเชื่อมโยงระหว่างทิศทางของนิวตริโนพลังงานสูงที่วิ่งเข้ามา กับการกระจายตัวของบลาซาร์ห่างไกลบนท้องฟ้า แต่การค้นพบใหม่บอกว่า บลาซาร์ไม่ได้เป็นโรงงานนิวตริโนเพียงอย่างเดียวข้างนอกนั้น

      ในรายงานให้ความเห็นใน Science Kohta Murase จากมหาวิทยาลัยเพนน์สเตท เขียนไว้ว่ากาแลคซีกัมมันต์อย่าง M77 พบได้มากกว่าบลาซาร์(เป็นกาแลคซีกัมมันต์อีกประเภทหนึ่ง-ผู้แปล) ซึ่งอาจจะอธิบายปริมาณของนิวตริโนทั้งหมดที่ไอซ์คิวป์ได้พบ

      เมื่อสองปีก่อน การวิเคราะห์ข้อมูลไอซ์คิวป์ในช่วงต้นก็ได้บอกใบ้แล้วว่า M77 น่าจะเป็นแหล่งของนิวตริโน อย่างไรก็ตาม ผลสรุปใหม่นั้นมีนัยสำคัญสูงกว่า ต้องขอบคุณการเทียบมาตรฐาน(calibrate) ข้อมูลและเทคนิคที่ดีขึ้น ซึ่งบอกถึงทิศทางนิวตริโนที่วิ่งเข้ามา การสำรวจในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากหอสังเกตการณ์ KM3NeT ของยุโรปซึ่งกำลังก่อสร้างที่ก้นทะเลเมดิเตอร์เรเนียน อาจจะสรุปกรณีศึกษานี้ได้ เมื่อมันจะมีความไวต่อทิศทางสูงกว่าไอซ์คิวป์

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : Squid Galaxy gets in on the neutrino game
                 sciencedaily.com : IceCube neutrinos give us first glimpse into the inner depths of an active galaxy
                 iflsceince.com : unexplained neutrinos emitted by a nearby galaxy have been detected beneath Antarctica