Noin neljä miljardia vuotta sitten, kun maapallo oli vielä lapsenkengissä, noin miljardia kertaa aurinkoisemman mustan aukon akseli osoitti osoittavan aivan kohtaan, missä planeettamme oli tarkoitus olla 22. syyskuuta 2017.
Akselin varrella korkeaenerginen hiukkassuihku lähetti fotoneja ja neutriinoja, jotka kilpailevat suuntamme valon nopeudella tai lähellä sitä. IceCube-neutrino-observatorio etelänavalla havaitsi yhden näistä alaatomisista hiukkasista - IceCube-170922A-neutrinoon - ja jäljitti sen takaisin pieneen taivaanpisteeseen Orion-tähdistössä ja osoitti kosmisen lähteen: miljardin kokoisen paahtavan mustan aukon. aurinkoa, 3, 7 miljardia valovuotta maasta, joka tunnetaan nimellä blazar TXS 0506 + 056. Blazaareja tunnetaan jo jonkin aikaa. Mikä ei ollut selvää oli se, että he pystyivät tuottamaan korkeaenergisia neutriinoja. Vieläkin mielenkiintoisempaa oli, että sellaisia neutriinoja ei ollut koskaan ennen löydetty lähteestä.
Kansallisen tiedesäätiön 12. heinäkuuta 2018 ilmoittama korkeaenergisten neutriinojen kosmisen lähteen löytäminen ensimmäistä kertaa merkitsee uuden aikakauden alkamista neutriinoastronomiaan. Suunniteltu sopivuuteen ja alkaa vuodesta 1976 lähtien, kun uraauurtavat fyysikot yrittivät ensin rakentaa suuren mittakaavan korkean energian neutriinodetektorin Havaijin rannikolle, IceCuben löytö merkitsee voiton tulosta monien satojen tutkijoiden ja insinöörien pitkästä ja vaikeasta kampanjasta - ja samanaikaisesti syntyi täysin uusi tähtitieteen haara.
Orionin tähdistö, jossa on napakymppi blazarin sijainnissa. (Silvia Bravo Gallart / Projekti_WIPAC_Tietoliikenne, CC BY-ND) Kahden erillisen tähtitieteellisen sanansaattajan - neutrinoiden ja valon - havaitseminen on voimakas osoitus siitä, kuinka ns. Multimessen tähtitiede voi tarjota vipuvaikutuksen, jonka tarvitsemme yksilöimään ja ymmärtämään joitain maailmankaikkeuden energisimmista ilmiöistä. Blazar TXS 0506 + 056 on tutkittu intensiivisesti sen jälkeen, kun se on löydetty neutriinolähteenä vähemmän kuin vuosi sitten. Siihen liittyvä neutriinovirta tarjoaa edelleen syvän kuvan fyysisistä prosesseista lähellä mustaa reikää ja sen voimakkaasta hiukkas- ja säteilysuihkusta, joka säteilee melkein suoraan Maata kohti sen sijainnista, aivan Orionin hartialta.
Kolmena tutkijana maailmanlaajuisessa fysiikan ja tähtitieteilijöiden ryhmässä, joka osallistui tähän merkittävään löytöyn, meitä vedettiin osallistumaan tähän kokeiluun sen pelkän innokkuuden, fyysisen ja emotionaalisen haasteen takia työskennellä pitkillä vuoroilla raa'asti kylmässä paikassa samalla, kun asetettiin kalliita herkät laitteet reikiin porattiin 1, 5 mailin syvyyteen jään päälle ja saivat kaiken toimimaan. Ja tietenkin, että jännittävä tilaisuus olla ensimmäisiä ihmisiä, jotka veisaavat aivan uudenlaiseen kaukoputkeen ja katsovat, mitä se paljastaa taivaasta.
**********
Yli 9000 jalkaa korkeudessa ja keskimääräisillä kesälämpötiloilla harvoin hajoavan kylmää -30 celsiusastetta etelänapa ei ehkä pidä sinua ihanteellisena paikana tehdä mitään, lukuun ottamatta urheilua vieraillessasi paikassa, joka on niin aurinkoinen ja kirkas tarvitset aurinkovoidetta sieraimiin. Toisaalta, kun huomaat, että korkeus johtuu monen sadan tuhannen vuoden turmeltumattomasta lumisateesta valmistetusta paksusta ultrakestävän jään kerroksesta ja että matalat lämpötilat ovat pitäneet kaiken kauniisti jäätyneenä, se ei ehkä yllättä sinua, että neutrino Teleskooppien rakentajien tieteelliset edut ovat suuremmat kuin kieltävä ympäristö. Etelänapa on nyt maailman suurimman neutriinodetektorin, IceCuben, koti.
Maaliskuu 2015: IceCube-laboratorio Amundsen-Scottin etelänavan asemalla Antarktis, isännöi tietokoneita, jotka keräävät raakatietoja ilmaisimesta. Satelliittikaistanleveyden allokointien vuoksi rekonstruoinnin ja tapahtumien suodatuksen ensimmäinen taso tapahtuu melkein reaaliajassa tässä laboratoriossa. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Vaikuttaa oudolta, että tarvitsemme tällaista kehittynyttä ilmaisinta, kun otetaan huomioon, että noin 100 miljardia näistä perustavanlaatuisista hiukkasista sasaisee suoraan pikkukuvasi läpi joka toinen ja liukuu vaivattomasti koko maapallon läpi vuorovaikutuksessa yhden maallisen atomin kanssa.
Itse asiassa neutriinot ovat toiseksi yleisimpiä hiukkasia, toiseksi vain kosmisista mikroaaltouunnan taustafotoneista, jotka ovat jääneet Suuresta räjähdyksestä. Ne käsittävät neljänneksen tunnetuista perushiukkasista. Koska he ovat tuskin vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa, heidät ymmärretään vähiten hyvin.
Fyysikkojen kiinni kourallisesta näistä vaikeista hiukkasista ja niiden lähteiden löytämiseksi fyysikot tarvitsevat isojen kilometrien mittaisia - ilmaisimia, jotka on valmistettu optisesti kirkkaasta materiaalista - kuten jään. Onneksi Äiti Luonto toimitti tämän koskematon laatta puhdasta jäätä, johon voimme rakentaa ilmaisimen.
IceCube Neutrino-observatorio mittaa noin yhden kuutiokilometrin määrän kirkasta Antarktiksen jäätä 5 160 digitaalisella optisella moduulilla (DOM) 1 250–2 450 metrin syvyydessä. Observatorio sisältää tiheästi instrumentoidun alilähettimen DeepCore ja pintailmasuihkujärjestelmän IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Etelänavalla useat sadat tutkijat ja insinöörit ovat rakentaneet ja ottaneet käyttöön yli 5000 yksittäistä valosensoria 86 erillisessä 1, 5 mailin syvyydessä olevissa reikissä, jotka sulavat polaariseen jääkorkkiin räätälöityjen kuumavesiporan avulla. Seitsemän austraalisen kesäkauden aikana asensimme kaikki anturit. IceCube-taulukko asennettiin kokonaan alkuvuodesta 2011, ja se on ottanut tietoa jatkuvasti siitä lähtien.
Tämä jäähän sitoutuneiden ilmaisimien joukko voi aistia erittäin tarkasti, kun neutriino lentää ja on vuorovaikutuksessa muutaman maanpäällisen hiukkasen kanssa, jotka tuottavat himmeää sinertävää Cherenkov-valoa, joka vapautuu, kun varautuneet hiukkaset liikkuvat väliaineen kuten jään läpi lähellä valonopeutta.
**********
Nechrino-ilmaisimien Achilleuksen kantapää on, että muut läheisestä ilmakehästä peräisin olevat hiukkaset voivat myös laukaista nämä sinertävän Cherenkov-valon kuviot. Näiden väärien signaalien poistamiseksi ilmaisimet haudataan syvälle jäähän häiriöiden suodattamiseksi ennen kuin ne pääsevät herkkään ilmaisimeen. Mutta huolimatta siitä, että se on melkein mailin päässä kiinteästä jäästä, IceCube kohtaa edelleen hyökkäyksen, joka sisältää noin 2500 tällaista hiukkasta sekunnissa, joista jokainen on todennäköisesti voinut johtua neutriinosta.
Odotettavissa olevan kiinnostavien, todellisten astrofyysisten neutriinovuorovaikutusten (kuten mustasta aukosta saapuvien neutriinojen) nopeuden ollessa noin yhden kuukauden sisällä, ja edessämme oli pelottava neula-in-a-heinänpään ongelma.
IceCube-strategiana on tarkastella vain tapahtumia, joissa on niin paljon energiaa, että niiden on epätodennäköistä, että ne olisivat ilmakehän alkuperää. Näillä valintakriteereillä ja useiden vuosien tiedoilla IceCube löysi astrofysikaaliset neutriinot, joita se oli pitkään etsinyt, mutta se ei pystynyt tunnistamaan yksittäisiä lähteitä - kuten aktiivisia galaktisen ytimen tai gammasäteen purskeita - useiden kymmenien suuren energian omaavien neutriinojen joukosta. oli kiinni.
Kiertääkseen todellisia lähteitä IceCube aloitti neutriinojen saapumisvaroitusten jakelun huhtikuussa 2016 Penn Staten Astrophysical Multimessenger Observatory Network -verkoston avulla. Seuraavan 16 kuukauden aikana 11 IceCube-AMON-neutriinohälytystä jaettiin AMON: n ja Gamma-ray Coordinates Network -verkon kautta vain minuutteja tai sekunteja sen jälkeen, kun ne oli havaittu etelänavalla.
IceCube varoitti 22. syyskuuta 2017 kansainvälistä tähtitieteellistä yhteisöä suuren energian omaavan neutriinin havaitsemisesta. Noin 20 observatorioa maapallolla ja avaruudessa teki seurantahavaintoja, jotka antoivat mahdolliseksi tunnistaa, mitä tutkijat pitävät erittäin korkean energian neutriinojen ja siten kosmisten säteiden lähteenä. Neutriinojen lisäksi sähkömagneettisella spektrillä tehdyt havainnot sisälsivät gammasäteitä, röntgensäteitä sekä optista ja radiosäteilyä. Näitä observatorioita johtavat kansainväliset ryhmät, joissa on yhteensä yli 1000 tutkijaa, joita rahoittavat rahoituslaitokset ympäri maailmaa. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Hälytykset laukaisivat automatisoidun röntgen- ja ultraviolettihavaintojen sekvenssin NASA: n Neil Gehrels Swift-observatoriossa ja johtivat lisätutkimuksiin NASA: n Fermi Gamma-Ray Space-teleskoopin ja ydinspektroskooppisen teleskooppijärjestelmän ja 13 muun observatorion kanssa ympäri maailmaa.
Swift oli ensimmäinen keino, jolla tunnistettiin syttyvä blazar TXS 0506 + 056 mahdollisena neutriinotapahtuman lähteeksi. Fermin suuren alueen kaukoputki katsoi, että basaari oli syttyvässä tilassa ja säteili paljon enemmän gammasäteitä kuin se oli aiemmin. Uutisten leviämisen jälkeen muut observatoriat hyppäsivät innostuneesti vankkurialueelle ja seurauksena oli laaja valikoima havaintoja. MAGIC-maanpäällisellä kaukoputkella havaittiin, että neutrinoomme tuli alueelta, joka tuottaa erittäin korkean energian gammasäteitä (jokainen on noin kymmenen miljoonaa kertaa energiatehokkaampi kuin röntgenkuvaus), ja ensimmäistä kertaa tällainen sattuma on havaittu. Muut optiset havainnot saattoivat palapelin mittaamalla etäisyyden blazariin TXS 0506 + 056: noin neljä miljardia valovuotta maasta.
Kun ensimmäistä kertaa on tunnistettu kosmisen energianlähde korkean energian neutriinoista, uusi haara tähtitieteellisessä puussa on itänyt. Kun korkean energian neutriinoastronomiaa kasvaa enemmän dataa, parannettua observatorioiden välistä koordinaatiota ja herkempiä ilmaisimia, pystymme kartoittamaan neutriinotaiteen paremmin ja tarkemmin.
Ja odotamme jännittäviä uusia läpimurtoja ymmärryksessämme maailmankaikkeudesta seuraavan esimerkkiä, kuten: ratkaisemaan uskomattoman energisten kosmisten säteiden alkuperän satavuotinen mysteeri; testataan, onko avaruuden aika itsessään vaahtoava, kvanttivaihtelujen ollessa hyvin pienillä etäisyysasteikoilla, kuten tietyt kvanttipainoisuuden teoriat ennustavat; ja selvittää tarkalleen, kuinka kosmiset kiihdyttimet, kuten esimerkiksi TXS 0506 + 056: n mustan aukon ympärillä olevat, pystyvät kiihdyttämään hiukkasia sellaisiin henkeäsalpaavasti suuriin energioihin.
20 vuoden ajan IceCube-yhteistyöllä oli unelma tunnistaa korkeaenergisten kosmisten neutriinojen lähteet - ja tämä unelma on nyt todellisuus.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Doug Cowen, fysiikan professori ja tähtitieteen ja astrofysiikan professori, Pennsylvanian osavaltion yliopisto
Azadeh Keivani, tiedemiesraja, Columbian yliopisto
Derek Fox, tähtitieteen ja astrofysiikan apulaisprofessori, Pennsylvanian osavaltion yliopisto
