Obiekt na powierzchni do eksperymentu IceCube, który znajduje się pod prawie 1 milą (1,6 kilometra) lodu na Antarktydzie. IceCube sugeruje, że duchy neutrina nie istnieją, ale nowy eksperyment mówi, że tak.
(Zdjęcie: © dzięki uprzejmości IceCube Neutrino Observatory)
Na lodowym pustkowiu Antarktydy znajduje się detektor masywnych cząstek, Obserwatorium IceCube Neutrino. Jednak poszukiwanie instrumentu w terenie okaże się trudne, ponieważ większość obserwatorium jest uwięziona pod lodem. Międzynarodowe obserwatorium poszukiwało neutrin - bezmasowych cząstek bez ładunku, które prawie nigdy nie wchodzą w interakcje z materią. Teraz jego obserwacje mogą rozwiązać jedną z największych tajemnic astronomii, odpowiadając na pytania o pochodzenie neutrin i promieni kosmicznych.
Największy z nich wszystkich
Obserwatorium IceCube Neutrino obejmuje jeden kilometr sześcienny w pobliżu bieguna południowego. Instrument zajmuje kilometr kwadratowy powierzchni i rozciąga się na głębokość 4920 stóp (1500 metrów). Jest to pierwszy wykrywacz neutrino gigaton, jaki kiedykolwiek zbudowano.
Podczas gdy zdjęcia IceCube często pokazują budynek stojący na zaśnieżonej powierzchni, prawdziwą pracę wykonano poniżej. Wielofunkcyjny eksperyment obejmuje tablicę powierzchniową IceTop, tablicę 81 stacji, które znajdują się nad strunami. IceTop służy jako wykrywacz kalibracji dla IceCube, a także do wykrywania natrysków powietrza z pierwotnych promieni kosmicznych oraz ich strumienia i składu.
Gęsty wewnętrzny subdetektor, DeepCore, jest siłą napędową eksperymentu IceCube. Każda ze stacji IceTop składa się z ciągów połączonych z cyfrowymi modułami optycznymi (DOM), które są rozmieszczone na sześciokątnej siatce w odległości 410 stóp (125 metrów). Każdy ciąg zawiera 60 DOM-ów wielkości koszykówki. Tutaj, głęboko w lodzie, IceCube jest w stanie polować na neutrina, które pochodzą od słońca, z Drogi Mlecznej i spoza galaktyki. Te widmowe cząstki są połączone z promieniami kosmicznymi, cząsteczkami o największej energii, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.
[Powiązane: Śledzenie neutrina do jego źródła: Odkrycie w obrazach]
Tajemnicze cząsteczki
Promienie kosmiczne odkryto po raz pierwszy w 1912 roku. Potężne wybuchy promieniowania zderzają się nieustannie z Ziemią, napływając ze wszystkich części galaktyki. Naukowcy obliczyli, że naładowane cząsteczki muszą tworzyć się w jednych z najbardziej gwałtownych i najmniej zrozumiałych obiektów i wydarzeń we wszechświecie. Wybuchowa śmierć gwiezdna gwiazdy, supernowej, zapewnia jedną metodę tworzenia promieni kosmicznych; aktywne czarne dziury w centrum galaktyk kolejne.
Ponieważ promienie kosmiczne składają się z naładowanych cząstek, oddziałują one jednak z polami magnetycznymi gwiazd i innych obiektów, które mijają. Pola wypaczają i przesuwają ścieżkę promieni kosmicznych, uniemożliwiając naukowcom odnalezienie ich z powrotem do źródła.
Tam właśnie wchodzą neutrina. Podobnie jak promienie kosmiczne, uważa się, że cząsteczki o niskiej masie tworzą się poprzez przemoc. Ale ponieważ neutrina nie mają ładunku, mijają pola magnetyczne bez zmiany ścieżki, podróżując w linii prostej od źródła.
„Z tego powodu poszukiwanie źródeł promieni kosmicznych stało się również poszukiwaniem neutrin o bardzo wysokiej energii”, zgodnie ze stroną internetową IceCube.
Jednak te same cechy, które sprawiają, że neutrina są tak dobrymi posłańcami, oznaczają również, że są trudne do wykrycia. Co sekundę około 100 miliardów neutrin przechodzi przez jeden cal kwadratowy twojego ciała. Większość z nich pochodzi od Słońca i nie jest wystarczająco energiczna, aby zostać zidentyfikowana przez IceCube, ale niektóre prawdopodobnie zostały wyprodukowane poza Drogą Mleczną.
Wykrywanie neutrin wymaga użycia bardzo przezroczystego materiału, takiego jak woda lub lód. Kiedy pojedyncze neutrino rozbija się w proton lub neutron w atomie, powstająca reakcja jądrowa wytwarza cząsteczki wtórne, które wydzielają niebieskie światło znane jako promieniowanie Czerenkowa.
„Neutriny, które wykrywamy, są jak odciski palców, które pomagają nam zrozumieć obiekty i zjawiska, w których wytwarzane są neutrina”, twierdzi zespół IceCube.
Trudne warunki
Biegun Południowy może nie być przestrzenią kosmiczną, ale niesie ze sobą własne wyzwania. Inżynierowie rozpoczęli budowę IceCube w 2004 roku, siedmioletniego projektu, który został ukończony zgodnie z harmonogramem w 2010 roku. Budowa mogła odbywać się tylko przez kilka miesięcy każdego roku, w okresie letnim półkuli południowej, która trwa od listopada do lutego.
Nudne 86 otworów wymagało specjalnego wiertła - właściwie dwóch z nich. Pierwszy przeszedł przez firn, warstwę zagęszczonego śniegu, do około 164 stóp (50 metrów). Następnie wysokociśnieniowe wiertło do gorącej wody topiło się w lodzie z prędkością około 2 metrów (6,5 stóp) na minutę, aż do głębokości 2450 metrów (8038 stóp lub 1,5 mil).
„Razem dwa wiertła były w stanie konsekwentnie wytwarzać prawie idealne pionowe otwory gotowe do rozmieszczenia oprzyrządowania w tempie jednego otworu co dwa dni”, według IceCube.
Następnie sznurki musiały zostać szybko rozłożone w stopionej wodzie przed zamarznięciem lodu. Zamrożenie zajęło kilka tygodni, aby ustabilizować się, po czym instrumenty pozostały nietykalne, trwale zamrożone w lodzie i niemożliwe do naprawy. Wskaźnik awaryjności instrumentów był bardzo wolny, a mniej niż 100 z 5500 czujników nie działa.
IceCube zaczął obserwować od samego początku, nawet podczas wdrażania innych ciągów.
Według Halzena, gdy projekt rozpoczął się po raz pierwszy, naukowcy nie byli pewni, jak daleko światło przemieści się przez lód. Mając dobrze ugruntowane informacje, współpraca działa na rzecz IceCube-Gen2. Ulepszone obserwatorium dodałoby około 80 kolejnych ciągów detektorów, a zrozumienie właściwości lodu pozwoli badaczom na umieszczenie czujników szerzej od siebie niż ich pierwotne konserwatywne szacunki. IceCube-Gen2 powinien podwoić rozmiar obserwatorium za mniej więcej taki sam koszt.
Niesamowita nauka
IceCube rozpoczął polowanie na neutrina, zanim zostało ukończone, dając po drodze kilka intrygujących wyników naukowych.
Od maja 2010 r. Do maja 2012 r. IceCube zaobserwował 28 bardzo wysokoenergetycznych cząstek. Halzen przypisywał zdolność detektora do obserwowania tych ekstremalnych zdarzeń do ukończenia detektora.
„Jest to pierwsze wskazanie neutrin o bardzo wysokiej energii pochodzących spoza naszego Układu Słonecznego, z energiami ponad milion razy obserwowanymi w 1987 r. W związku z supernową widzianą w Wielkim Obłoku Magellana” - powiedział Halzen w oświadczeniu. „Przyjemnie jest wreszcie zobaczyć, czego szukaliśmy. To początek nowej ery astronomii”.
W kwietniu 2012 r. Wykryto parę neutrin o wysokiej energii i nazwano je Bert i Ernie, po bohaterach telewizyjnego programu dla dzieci „Ulica Sezamkowa”. Z energiami powyżej 1 petaelektronowolta (PeV), para była pierwszymi ostatecznie wykrytymi neutrinami spoza Układu Słonecznego od supernowej w 1987 roku.
„To duży przełom” - powiedział Uli Katz, fizyk cząstek na University of Erlangen-Nuremberg w Niemczech, który nie był zaangażowany w badania. „Myślę, że jest to jedno z absolutnie głównych odkryć w fizyce cząstek astronomicznych” - powiedział Katz dla Space.com.
Dzięki tym obserwacjom IceCube otrzymał nagrodę Physics World 2013 Breakthrough of the Year.
Kolejna duża wypłata nastąpiła 4 grudnia 2012 r., Gdy obserwatorium wykryło wydarzenie, które naukowcy nazwali Big Bird, również z „Ulicy Sezamkowej”. Big Bird był neutrino o energii przekraczającej 2 biliardy elektronów woltów, ponad milion milionów razy większej niż energia dentystycznego promieniowania rentgenowskiego, upakowanej w pojedynczą cząsteczkę o masie mniejszej niż jedna milionowa elektronu. W tym czasie było to neutrino o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek wykryto; od 2018 r. nadal zajmuje drugie miejsce.
Za pomocą kosmicznego teleskopu Fermi Gamma NASA naukowcy powiązali Big Birda z wysoce energetycznym wybuchem blazara znanego jako PKS B1424-418. Blazary są zasilane przez supermasywne czarne dziury w centrum galaktyki. Gdy czarna dziura pochłania materiał, część materiału jest odchylana w dżety niosące tyle energii, że przyćmią gwiazdy w galaktyce. Dysze przyspieszają materię, tworząc neutrina i fragmenty atomów, które wytwarzają promieniowanie kosmiczne.
Począwszy od lata 2012 r., Blazar świecił od 15 do 30 razy jaśniej w promieniach gamma niż jego średnia przed erupcją. Długoterminowy program obserwacji o nazwie TANAMI, który rutynowo monitorował prawie 100 aktywnych galaktyk na południowym niebie, ujawnił, że jądro galaktyki rozjaśniło się czterokrotnie w latach 2011–2013.
„Żadna z naszych galaktyk obserwowanych przez TANAMI w trakcie trwania programu nie wykazała tak dramatycznych zmian” - powiedział Eduardo Ros z Instytutu Radia Astronomii (MPIfR) Maxa Plancka w Niemczech w oświadczeniu z 2016 roku. Zespół obliczył, że dwa zdarzenia były powiązane.
„Biorąc pod uwagę wszystkie obserwacje, wydaje się, że blazar miał środki, motyw i okazję do wystrzelenia neutrina Big Bird, co czyni go naszym głównym podejrzanym” - powiedział Matthias Kadler, profesor astrofizyki na uniwersytecie w Würzburgu w Niemcy."
W lipcu 2018 r. IceCube ogłosił, że po raz pierwszy wyśledził neutrina z powrotem do swojego źródła blazar. We wrześniu 2017 r. Dzięki nowo zainstalowanemu systemowi alarmowemu, który nadawał naukowcom z całego świata w ciągu kilku minut od wykrycia silnego kandydata na neutrino, naukowcy byli w stanie szybko obrócić swoje teleskopy w kierunku, z którego pochodzi nowy sygnał. Fermi zaalarmował badaczy o obecności aktywnego blazara, znanego jako TXS-0506 + 056, w tej samej części nieba. Nowe obserwacje potwierdziły, że blazar płonie, emitując jaśniejsze niż zwykle wybuchy energii.
W większości przypadków TXS jest typowym blazarem; jest to jeden ze 100 najjaśniejszych blazarów wykrytych przez Fermiego. Jednak, mimo że 99 innych jest również błyskotliwych, nie rzuciły neutrin w kierunku IceCube. W ostatnich miesiącach TXS rozbłyskiwał, rozjaśniał i przyciemniał aż sto razy silniej niż w poprzednich latach.
„Śledzenie wysokoenergetycznego neutrina wykrytego przez IceCube z powrotem do TXS 0506 + 056 sprawia, że po raz pierwszy byliśmy w stanie zidentyfikować konkretny obiekt jako prawdopodobne źródło takiego neutrino o wysokiej energii,” Gregory Sivakoff z Uniwersytetu o Albercie w Kanadzie, powiedział w oświadczeniu.
IceCube nie jest jeszcze ukończony. Nowy system ostrzegania utrzyma astronomów na nogach w przyszłych latach. Obserwatorium ma zaplanowane życie 20 lat, więc istnieje co najmniej kolejna dekada niesamowitych odkryć pochodzących z obserwatorium na biegunie południowym.
