På spaning efter neutriner från rekordljust gammastrålningsutbrott

Ett av NASA:s rymdteleskop observerade under hösten 2022 ett av de närmaste och ljusaste gammastrålningsutbrotten någonsin. Genom kompletterande dataanalyser från neutrinoteleskopet IceCube har man utifrån detta kunnat utesluta vissa teoretiska modeller för hur neutriner skapas. Observationerna innebär att man har kunnat sätta en ny övre gräns för neutrinoflödet från gammastrålningsutbrott.

Studierna genomfördes i ett internationellt doktorandsamarbete där bland andra Nora Valtonen-Mattila från Uppsala universitet medverkat.

NASA:s rymdteleskop Fermi observerade den 9 oktober 2022 ett av de närmaste och ljusaste gammastrålningsutbrotten någonsin. Utbrottet, som fått namnet GRB221009A, observerades i stjärnbilden Pilen (Sagitta), på ett avstånd av 2,4 miljarder ljusår från jorden.

Gammastrålningsutbrott är de mest våldsamma explosionerna i universum och tros vara kopplade till avlägsna supernovor. Ett utbrott skapar ett ljussken som är en miljon gånger starkare än det sammanlagda skenet från alla miljarder stjärnor i Vintergatan och ger ifrån sig lika mycket energi på några sekunder som solen kommer göra under hela sin livstid, 10 miljarder år.

Under lång tid har fenomen kopplade till gammastrålningsutbrott ansetts vara en trolig källa till neutriner. Neutriner är bland de mest svårfångade partiklarna i universum. Trots att de är en miljard gånger vanligare än de partiklar som bygger upp allt liv och materia i vår omvärld är de väldigt små och i princip masslösa, och därmed mycket svåra att upptäcka.

För att undersöka neutrinoflödet från gammastrålningsutbrottet GRB221009A, genomförde Nora Valtonen-Mattila och fyra andra doktorander i IceCube-kollaborationen kompletterande analyser till rymdteleskopet Fermis observationer. De kompletterande analyserna genomfördes på data som neutrinoteleskopet IceCube på Sydpolen samlat in vid tidpunkten för utbrottet. Totalt genomfördes fem olika analyser för alla de energier som IceCube kan detektera, vilka spänner mellan megaelektronvolt (10^6 eV) och petaelektronvolt (10^15 eV). Nora Valtonen-Mattila fokuserade på analyserna vid de lägsta energierna, på megaelektronvoltsnivå.

– Eftersom neutriner med låga energier är svåra att urskilja från detektorbruset, var det en intressant utmaning att utforma en sökning för att hitta dem, säger Nora Valtonen-Mattila, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi.

Av studien, som publicerats i The Astrophysical Journal Letters, gick det inte att utläsa något signifikant neutrinoflöde, men resultaten visade på nya gränsvärden för neutrinoflöden från gammastrålningsutbrott.

– Trots att vi inte kunde observera neutriner över det förväntade bakgrundsvärdet för IceCube-detektorn, kan vi ändå använda resultaten från studien för att få insikt om de processer som ger upphov till gammastrålningsutbrott. Sökandet efter neutriner ger oss en unik inblick i dessa extremt ljusstarka fenomen, säger Nora Valtonen-Mattila.

R. Abbasi et al (2023) Limits on Neutrino Emission from GRB 221009A from MeV to PeV Using the IceCube Neutrino Observatory, The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/acc077

Fakta IceCube-teleskopet

IceCube på Sydpolen är världens största neutrinoteleskop, begravt på ett djup mellan 1,5 km och 2,5 km ner i den antarktiska glaciären. IceCube-teleskopet har varit i drift sedan 2010. År 2013 publicerade IceCube den första mätningen någonsin av flödet av kosmiska neutriner med höga energier.

För mer information kontakta:

Nora Valtonen-Mattila, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi, tel: 073-9588592, e-post: nora.valtonen@physics.uu.se.

Erin O'Sullivan, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi, tel: 076-145 90 91, erin.osullivan@physics.uu.se.