Prije otprilike četiri milijarde godina, kada je planet Zemlja još bila u povojima, os crne rupe, oko milijardu puta masivnija od sunca, dogodila se točno prema mjestu na kojem će se naš planet nalaziti 22. rujna 2017. godine.
Duž osi, visokoenergetski mlaz čestica poslao je fotone i neutrine koji se kreću u našem smjeru brzinom svjetlosti ili blizu nje. Neutrino opservatorij IceCube na Južnom polu otkrio je jednu od tih subatomskih čestica - Icecube-170922A neutrino - i pronašao je natrag na mali komad neba u sazviježđu Orion i odredio kozmički izvor: goruću crnu rupu veličine milijardu sunca, 3, 7 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje, poznato kao blazar TXS 0506 + 056. Blažari su poznati već neko vrijeme. Ono što nije bilo jasno jest da mogu proizvesti visokoenergetske neutrine. Još je uzbudljivije bilo to što takvi neutrini nikada prije nisu pronađeni na njegovom izvoru.
Pronalaženje kozmičkog izvora visokoenergetskih neutrina, koje je 12. srpnja 2018. objavila Nacionalna zaklada za znanost, obilježava zoru nove ere neutrinske astronomije. Izbjegava se i počinje od 1976. godine, kada su pionirski fizičari prvi put pokušali izgraditi visokoenergetski neutrino detektor kraj havajske obale, otkriće IceCubea značilo je trijumfalni zaključak duge i teške kampanje mnogih stotina znanstvenika i inženjera - i istodobno rođenje posve nove grane astronomije.
Sazviježđe Oriona s bikovim pogledom na mjestu blazara. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communication, CC BY-ND) Otkrivanje dva različita astronomska glasnika - neutrina i svjetla - snažan je dokaz kako takozvana multimedijska astronomija može pružiti utjecaj na koji trebamo identificirati i razumjeti neke od najenergičnijih fenomena u svemiru. Otkako je otkriven kao izvor neutrina prije manje od godinu dana, blazar TXS 0506 + 056 podvrgnut je intenzivnom nadzoru. Pridruženi tok neutrina nastavlja pružati duboki uvid u fizičke procese na djelu u blizini crne rupe i njezina snažnog mlaza čestica i zračenja, koji se spuštao gotovo direktno na Zemlju s mjesta na kojem se nalazilo neposredno uz rame Oriona.
Kako su trojica znanstvenika iz globalnog tima fizičara i astronoma uključenih u ovo nevjerojatno otkriće, bili smo privučeni da sudjelujemo u ovom eksperimentu zbog njegove čiste hrabrosti, za fizički i emocionalni izazov rada na dugim smjenama na brutalno hladnom mjestu, umetanjem skupog, osjetljiva oprema uvučena je u rupe probušene 1, 5 milje duboko u ledu i sve to na njemu djeluje. I, naravno, uz uzbudljivu priliku da budu prvi ljudi koji su zavirili u potpuno novu vrstu teleskopa i vidjeli što otkriva o nebesima.
**********
Na nadmorskoj visini većoj od 9000 stopa i s prosječnim ljetnim temperaturama rijetko probijajući hladnih -30 Celzijevih stupnjeva, Južni pol vas možda neće pogoditi kao idealno mjesto za učiniti bilo što, osim hvalisanja oko posjeta mjestu koje je sunčano i svijetlo, potrebna vam je krema za sunčanje za nosnice. S druge strane, nakon što shvatite da je nadmorska visina zbog debelog sloja ultra čistog leda napravljenog od nekoliko stotina tisuća godina netaknutih snježnih padavina i da su zbog niskih temperatura sve lijepo zamrznute, možda vas to neće iznenaditi zbog neutrina graditelji teleskopa, znanstvene prednosti nadmašuju zabranjeno okruženje. Južni pol danas je dom najvećeg svjetskog neutrinog detektora, IceCube.
Ožujak 2015.: Laboratorij IceCube na stanici Južni pol Amundsen-Scott, na Antarktiku, ugošćuje računala koja sakupljaju sirove podatke iz detektora. Zbog dodjele satelitske propusnosti, prva razina rekonstrukcije i filtriranje događaja se događaju u gotovo stvarnom vremenu u ovom laboratoriju. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Može se činiti čudnim da nam je potreban tako složen detektor s obzirom da se oko 100 milijardi tih temeljnih čestica provuče kroz vašu sličicu svake sekunde i bez napora preleti čitavom Zemljom bez interakcije s jednim zemaljskim atomom.
U stvari, neutrini su druga najuobičajenija čestica, koje su tek one kozmičke mikronove pozadinske mikronove preostale od Velikog praska. Sastoji se od četvrtine poznatih temeljnih čestica. Ipak, s obzirom da jedva stupaju u interakciju s drugom materijom, vjerojatno su i najmanje razumljivi.
Da bi uhvatili šaku tih neuhvatljivih čestica i otkrili njihove izvore, fizičarima su potrebni detektori široki kilometar napravljeni od optički čistog materijala poput leda. Srećom Majka Priroda pružila je ovu netaknutu ploču od čistog leda na kojoj smo mogli izgraditi naš detektor.
IceCube Neutrino opservatorij instrumentira obujam otprilike jedan kubični kilometar čistog antarktičkog leda s 5.160 digitalnih optičkih modula (DOM) na dubinama između 1.450 i 2.450 metara. Opservatorij uključuje gusto instrumentirani poddetektor, DeepCore, i površinski tuš tuš, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Na Južnom polu nekoliko stotina znanstvenika i inženjera konstruiralo je i postavilo više od 5000 pojedinačnih fotosenzora u 86 zasebnih rupa dubokih 1, 5 milju, otopljenih u polarnoj ledenoj kapici, prilagođenom bušilicom za toplu vodu. Tijekom sedam australskih ljetnih sezona ugradili smo sve senzore. IceCube je u potpunosti instaliran početkom 2011. i od tada kontinuirano uzima podatke.
Ovaj niz ledenih detektora može osjetiti s velikom preciznošću kada neutrino leti kroz i djeluje s nekoliko zemaljskih čestica koje stvaraju prigušene obrasce plavkastog čerenkovskog svjetla, a odbacuje se kad se nabijene čestice kreću kroz medij poput leda brzinom svjetlosti.
**********
Ahilova peta neutrinskih detektora je da i druge čestice, koje potječu iz obližnje atmosfere, mogu pokrenuti ove obrasce plavkastog čerenkovskog svjetla. Da bi uklonili ove lažne signale, detektori su zakopani duboko u led kako bi filtrirali smetnje prije nego što dođu do osjetljivog detektora. No, unatoč tome što je pod gotovo miljom čvrstog leda, IceCube se i dalje suočava s naletom od oko 2500 takvih čestica svake sekunde, od kojih bi svaka vjerojatno mogla biti posljedica neutrina.
S očekivanom stopom zanimljivih, stvarnih astrofizičkih neutrinskih interakcija (poput dolaznih neutrina iz crne rupe) koje lebde oko mjesecno, suočili smo se s zastrašujućim problemom igla-u-plastu.
IceCube strategija je gledati samo na događaje s tako visokom energijom da su po malo vjerovatno da će biti atmosferskog podrijetla. Pomoću ovih kriterija odabira i nekoliko godina podataka, IceCube je otkrio astrofizičke neutrine koje je dugo tražio, ali nije mogao identificirati nijedan pojedinačni izvor - poput aktivnih galaktičkih jezgara ili gama-zračenja - među nekoliko desetaka visokoenergetskih neutrina. bio zarobljen.
Kako bi zadirkivao stvarne izvore, IceCube je počeo distribuirati upozorenja o dolasku neutrina u travnju 2016. uz pomoć Astrofizičke mreže opservatorija za višestruki prenosnik u državi Penn. Tijekom sljedećih 16 mjeseci, 11 AMC IceCube-AMON neutrino upozorenja distribuirano je putem AMON-a i mreže gama-koordinata, samo nekoliko minuta ili sekundi nakon što je otkriven na Južnom polu.
22. rujna 2017. IceCube je upozorio međunarodnu astronomsku zajednicu o otkrivanju visokoenergetskog neutrina. Oko 20 opservatorija na Zemlji i u svemiru obavilo je naknadna promatranja, koja su omogućila identifikaciju onoga što znanstvenici smatraju izvorom vrlo visokoenergetskih neutrina, a time i kozmičkih zraka. Pored neutrina, promatranja provedena u elektromagnetskom spektru uključivala su gama-zrake, X-zrake i optičko i radio-zračenje. Ovim opservatorijama upravljaju međunarodni timovi s ukupno više od 1000 znanstvenika koje podržavaju agencije za financiranje u zemljama širom svijeta. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Upozorenja su pokrenula automatizirani slijed X-zraka i ultraljubičastog promatranja s NASA-inim Neil Gehrels Swift opservatorijom i doveli do daljnjih studija NASA-inog svemirskog teleskopa Fermi Gamma-Ray i nuklearnog spektroskopskog teleskopa i 13 drugih opservatorija širom svijeta.
Swift je bio prvi objekt koji je identificirao plamteće blazare TXS 0506 + 056 kao mogući izvor neutrinog događaja. Teleskopeten velike površine Fermi izvijestio je da je blazar u zapaljenom stanju, emitirajući mnogo više gama zraka nego što je imao u prošlosti. Kako su se vijesti proširile, drugi su promatrači s oduševljenjem skakali po pojasu i uslijedio je širok raspon opažanja. MAGIC zemaljski teleskop primijetio je da je naš neutrino potjecao iz regije koja proizvodi visoko-energetske gama-zrake (svaka oko deset milijuna puta energičnija od X-zraka), što je prvi put da je takva slučajnost ikada primijećena. Ostala optička promatranja zaključila su zagonetku mjerenjem udaljenosti do blazara TXS 0506 + 056: oko četiri milijarde svjetlosnih godina od Zemlje.
S prvom identifikacijom kozmičkog izvora visokoenergetskih neutrina, nova grančica na stablu astronomije izronila je. Kako se visokoenergetska neutrino astronomija povećava s više podataka, poboljšanom koordinacijom između opservatorije i osjetljivijim detektorima, moći ćemo bolje i preciznije preslikati neutrinsko nebo.
I očekujemo nove uzbudljive pomake u našem razumijevanju svemira koji bi slijedili kao što su: rješavanje stoljetne misterije podrijetla zapanjujuće energetskih kozmičkih zraka; ispitivanje je li svemir vrijeme sam pjenast, s kvantnim fluktuacijama na vrlo malim skalama udaljenosti, kako to predviđaju određene teorije kvantne gravitacije; i shvatiti točno kako kosmički akceleratori, poput onih oko TXS 0506 + 056 crne rupe, uspijevaju ubrzati čestice do tako nevjerojatno visoke energije.
20 godina IceCube suradnja imala je san identificirati izvore visokoenergetskih kozmičkih neutrina - i taj san je sada stvarnost.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Doug Cowen, profesor fizike i profesor astronomije i astrofizike, Državno sveučilište Pennsylvania
Azadeh Keivani, znanstveni suradnik na granici znanosti, Sveučilište Columbia
Derek Fox, izvanredni profesor astronomije i astrofizike, Državno sveučilište Pennsylvania
