Tiga tahun lalu, para ilmuwan mendeteksi sesuatu yang luar biasa di dasar Laut Mediterania: neutrino kosmik paling energik yang pernah diamati. Partikel tersebut membawa energi yang menakjubkan sekitar 220 PeV, sepuluh kali lebih tinggi dari neutrino energi tinggi yang terdeteksi sebelumnya, dan para peneliti masih belum mengetahui secara pasti dari mana asalnya.
Kini, sebuah penelitian baru dipublikasikan di Jurnal Kosmologi dan Fisika Astropartikel (JCAP) menunjukkan bahwa partikel tersebut mungkin berasal dari blazar, salah satu objek paling ekstrem di alam semesta. Blazar adalah inti galaksi aktif yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif yang menembakkan plasma besar langsung ke Bumi.
Para ilmuwan mencari sumber rekaman neutrino
Neutrino terdeteksi pada 13 Februari 2023 oleh KM3NeT/ARCA, sebuah observatorium neutrino besar yang terletak di lepas pantai Sisilia. Menariknya, detektor tersebut masih dalam tahap pembangunan. Pada saat penemuan tersebut, hanya 21 jalur deteksi yang beroperasi, mewakili sekitar 10% dari rencana ukuran akhir observatorium.
Bahkan dengan pengaturan parsial, detektor tersebut menangkap sinyal yang belum pernah dilihat para ilmuwan sebelumnya.
Para peneliti mendekati misteri ini seperti penyelidik forensik yang memeriksa petunjuk di TKP. Dimulai dengan penjelasan yang mungkin, mereka membuat simulasi dan membandingkan hasilnya dengan observasi sebenarnya.
Salah satu gagasan utamanya adalah bahwa neutrino berasal dari kelas blazar khusus yang mampu mempercepat partikel hingga mencapai energi ekstrem.
“Ada beberapa kemungkinan penjelasan tentang asal usul partikel ini,” jelas Meriem Bendahman, peneliti di INFN Naples dan anggota kolaborasi KM3NeT, salah satu penulis studi tersebut, yang memiliki ratusan kontributor. “Sebagai contoh, telah diusulkan bahwa neutrino tersebut dihasilkan ketika sinar kosmik berenergi sangat tinggi berinteraksi dengan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik, sisa-sisa cahaya dari alam semesta awal. Namun ada kemungkinan juga bahwa neutrino berasal dari fluks difusi yang dihasilkan oleh populasi akselerator ekstrem, seperti blazar.”
Mengapa keluarga Blazar menjadi tersangka utama
Dalam banyak peristiwa kosmik, para astronom mencari pasangan elektromagnetik, seperti gelombang radio, cahaya tampak, sinar-X, atau sinar gamma yang berasal dari wilayah langit yang sama, pada saat yang sama mendeteksi neutrino.
Namun dalam kasus ini, para ilmuwan tidak menemukan sinyal yang sesuai.
“Hal ini tidak sepenuhnya mengesampingkan kemungkinan adanya sumber titik,” kata Bendahman, “tetapi hal ini mengarahkan kita untuk mempertimbangkan bahwa neutrino kita mungkin berasal dari latar belakang yang tersebar, yaitu dari aliran neutrino yang mencakup kontribusi dari banyak sumber.”
Kemungkinan ini mendorong para peneliti pada gagasan bahwa partikel tersebut mungkin muncul dari populasi blazar yang besar, bukan dari peristiwa kosmik tunggal yang dramatis.
Untuk menyelidikinya, tim menggunakan alat simulasi sumber terbuka yang disebut AM3 untuk memodelkan populasi blazar yang realistis. Banyak aspek simulasi yang didasarkan pada nilai yang telah diukur oleh pengamatan lain, termasuk kekuatan medan magnet dan ukuran daerah emisi di sekitar lubang hitam.
Para peneliti terutama menyesuaikan dua faktor penting. Salah satunya adalah muatan barionik, yang mengukur berapa banyak energi yang dibawa proton dibandingkan dengan elektron dan membantu menentukan berapa banyak neutrino yang dapat dihasilkan. Yang kedua adalah indeks spektral proton, yang mempengaruhi bagaimana energi proton didistribusikan dan apakah energi tersebut dapat mencapai energi yang sangat tinggi.
Untuk setiap simulasi, para peneliti menghitung produksi neutrino dan emisi sinar gamma yang terkait, kemudian membandingkan hasilnya dengan pengamatan nyata.
Perbandingan hasil dengan IceCube dan Fermi
Studi ini menggabungkan observasi dari beberapa observatorium besar, termasuk KM3NeT/ARCA, observatorium neutrino IceCube, dan teleskop luar angkasa sinar Gamma Fermi milik NASA.
Para peneliti tidak hanya fokus pada apa yang diamati oleh instrumen tersebut. Mereka juga mempertimbangkan apa yang belum diamati.
Misalnya, tidak ada observatorium neutrino lain, termasuk IceCube, yang mendeteksi peristiwa energi ultra-tinggi serupa. Hal ini menunjukkan bahwa partikel-partikel tersebut sangat langka, yang berarti penjelasan apa pun yang diajukan juga harus mempertimbangkan kurangnya deteksi yang sebanding.
Model Blazar berhasil memenuhi kendala ini.
Tim juga menguji apakah populasi blazar yang diusulkan akan menghasilkan terlalu banyak sinar gamma dibandingkan dengan latar belakang sinar gamma ekstragalaksi yang diukur oleh Fermi. Hasil mereka tetap konsisten dengan pengamatan yang ada.
Pada akhirnya, para peneliti menemukan bahwa populasi blazar yang realistis dapat menjelaskan peristiwa neutrino yang luar biasa ini secara masuk akal.
“Kami memodelkan populasi blazar yang realistis dengan parameter yang dimotivasi secara fisik, dan kami menemukan bahwa populasi blazar ini dapat menjelaskan asal mula peristiwa energi ultra-tinggi ini, sekaligus tetap konsisten dengan batasan yang kami miliki terkait pengamatan sinar gamma dan neutrino,” kata Bendahman.
KM3NeT bisa mengungkap peristiwa kosmik yang lebih ekstrim lagi
Para ilmuwan memperingatkan bahwa masih diperlukan lebih banyak bukti sebelum penjelasan blazar dapat dikonfirmasi.
“Kami membutuhkan lebih banyak data observasi,” kata Bendahman. “KM3NeT masih dalam pembangunan dan kami mendeteksi neutrino berenergi sangat tinggi ini hanya dengan pengaturan parsial. Dengan detektor penuh dan lebih banyak data, kami akan dapat melakukan analisis statistik yang lebih kuat dan membuka jendela baru ke alam semesta neutrino berenergi sangat tinggi.”
Jika pengamatan di masa depan mengkonfirmasi teori tersebut, hasilnya dapat mengubah pemahaman para ilmuwan tentang cara kerja blazar dan seberapa kuatnya.
“Kami belum pernah mengamati neutrino dengan energi sebesar ini sebelumnya, dan jika neutrino tersebut ternyata berasal dari akselerator kosmik seperti blazar,” Bendahman menyimpulkan, “hal ini akan memberi kita wawasan baru tentang bagaimana objek-objek ini dapat memancarkan partikel dengan energi lebih tinggi dari yang kami perkirakan sebelumnya.”
