Około czterech miliardów lat temu, gdy planeta Ziemia była jeszcze w powijakach, oś czarnej dziury, około miliarda razy większa niż Słońce, wskazywała dokładnie tam, gdzie planeta ma być 22 września 2017 r.
Wzdłuż osi, wysokoenergetyczny strumień cząstek wysyłał fotony i neutrina pędzące w naszym kierunku z prędkością światła lub zbliżoną do prędkości światła. Obserwatorium Neutrino IceCube na Biegunie Południowym wykryło jedną z tych cząstek subatomowych - neutrino IceCube-170922A - i prześledziło ją z powrotem do małego skrawka nieba w gwiazdozbiorze Oriona i wskazało źródło kosmiczne: migoczącą czarną dziurę wielkości miliarda słońca, 3, 7 miliarda lat świetlnych od Ziemi, znane jako blazar TXS 0506 + 056. Blazary są znane od pewnego czasu. Nie było jasne, że mogą wytwarzać neutrina o wysokiej energii. Jeszcze bardziej ekscytujące było to, że takie neutrina nigdy nie zostały przypisane do jego źródła.
Znalezienie kosmicznego źródła neutrin wysokoenergetycznych, ogłoszone 12 lipca 2018 r. Przez National Science Foundation, oznacza początek nowej ery astronomii neutrin. Rozpoczęty w ataku i rozpoczęty od 1976 roku, kiedy pionierzy fizycy po raz pierwszy próbowali zbudować wysokoenergetyczny detektor neutrin wysokoenergetycznych u wybrzeży Hawajów, odkrycie IceCube oznacza triumfalne zakończenie długiej i trudnej kampanii wielu setek naukowców i inżynierów - i jednocześnie narodziny zupełnie nowej gałęzi astronomii.
Konstelacja Oriona z dziesiątką na miejscu blazara. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Wykrywanie dwóch różnych posłańców astronomicznych - neutrin i światła - jest potężnym pokazem, w jaki sposób tak zwana astronomia wielu pasażerów może zapewnić siłę potrzebną do zidentyfikowania i zrozumienia niektórych najbardziej energetycznych zjawisk we wszechświecie. Od czasu odkrycia jako źródło neutrin niespełna rok temu blazar TXS 0506 + 056 był przedmiotem intensywnej analizy. Związany z nim strumień neutrin nadal zapewnia głęboki wgląd w procesy fizyczne zachodzące w pobliżu czarnej dziury oraz potężny strumień cząstek i promieniowania, wysyłany niemal bezpośrednio w kierunku Ziemi z jego lokalizacji tuż przy ramieniu Oriona.
Jako trzej naukowcy w globalnym zespole fizyków i astronomów zaangażowanych w to niezwykłe odkrycie, zostaliśmy przyciągnięci do wzięcia udziału w tym eksperymencie ze względu na jego zuchwałość, fizyczne i emocjonalne wyzwanie związane z długimi zmianami w brutalnie zimnym miejscu przy jednoczesnym wprowadzaniu drogich, wrażliwy sprzęt w otwory wywiercone na głębokości 1, 5 mil w lodzie i sprawiający, że wszystko działa. I, oczywiście, dla ekscytującej okazji, aby jako pierwsi zaglądać do zupełnie nowego rodzaju teleskopu i zobaczyć, co odkrywa o niebie.
**********
Na wysokości przekraczającej 9000 stóp i przy średnich temperaturach letnich, które rzadko łamią oziębłe -30 stopni Celsjusza, Biegun Południowy może nie wydawać się idealnym miejscem do robienia czegokolwiek, oprócz chwalenia się wizytą w miejscu tak słonecznym i jasnym, że potrzebujesz ochrony przeciwsłonecznej dla twoich nozdrzy. Z drugiej strony, kiedy zdasz sobie sprawę, że wysokość jest spowodowana grubą warstwą ultraczystego lodu wykonanego z kilkuset tysięcy lat dziewiczych opadów śniegu i że niskie temperatury utrzymują to ładnie zamrożone, nie może cię to zaskoczyć w przypadku neutrino konstruktorzy teleskopów, zalety naukowe przeważają nad zakazującym środowiskiem. Biegun Południowy jest teraz domem dla największego na świecie detektora neutrin, IceCube.
Marzec 2015: Laboratorium IceCube na stacji bieguna południowego Amundsen-Scott na Antarktydzie hostuje komputery, które zbierają surowe dane z detektora. Ze względu na alokację przepustowości satelitarnej pierwszy etap rekonstrukcji i filtrowania zdarzeń odbywa się w tym laboratorium niemal w czasie rzeczywistym. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Może wydawać się dziwne, że potrzebujemy tak skomplikowanego detektora, biorąc pod uwagę, że około 100 miliardów tych fundamentalnych cząstek przepływa przez twoją miniaturę co sekundę i bez wysiłku szybuje po całej Ziemi bez interakcji z jednym ziemskim atomem.
W rzeczywistości neutrina są drugą najbardziej wszechobecną cząsteczką, ustępującą po kosmicznych fotonach mikrofalowych tła pozostałych po Wielkim Wybuchu. Zawierają one jedną czwartą znanych cząstek podstawowych. Ponieważ jednak ledwo wchodzą w interakcje z inną materią, są prawdopodobnie najmniej dobrze rozumiani.
Aby złapać garść tych nieuchwytnych cząstek i odkryć ich źródła, fizycy potrzebują dużych - szerokich na kilometr - detektorów wykonanych z optycznie przezroczystego materiału - jak lód. Na szczęście Matka Natura dostarczyła tę nieskazitelną płytę z czystego lodu, na której moglibyśmy zbudować nasz detektor.
IceCube Neutrino Observatory mierzy objętość około jednego kilometra sześciennego czystego lodu antarktycznego z 5160 cyfrowymi modułami optycznymi (DOM) na głębokościach od 1450 do 2450 metrów. Obserwatorium obejmuje gęsto oprzyrządowany subdetektor, DeepCore, oraz zestaw do powierzchniowego natrysku powietrza, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Na biegunie południowym kilkuset naukowców i inżynierów zbudowało i rozmieściło ponad 5000 pojedynczych fotosensorów w 86 oddzielnych otworach o głębokości 1, 5 mili stopionych w czapie lodowej za pomocą specjalnie zaprojektowanego wiertła do gorącej wody. W ciągu siedmiu australijskich sezonów letnich zainstalowaliśmy wszystkie czujniki. Macierz IceCube została w pełni zainstalowana na początku 2011 roku i od tego czasu nieprzerwanie pobiera dane.
Ten zestaw detektorów związanych z lodem może z dużą precyzją wyczuwać, kiedy neutrino przelatuje przez nie i wchodzi w interakcje z kilkoma ziemskimi cząsteczkami, które wytwarzają słabe wzory niebieskawego światła Czerenkowa, wydzielane, gdy naładowane cząstki przemieszczają się przez medium takie jak lód z prędkością bliską prędkości światła.
**********
Piętą achillesową detektorów neutrin jest to, że inne cząstki, pochodzące z pobliskiej atmosfery, mogą również wyzwalać te wzory niebieskawego światła Czerenkowa. Aby wyeliminować te fałszywe sygnały, detektory są zakopane głęboko w lodzie, aby odfiltrować zakłócenia, zanim dotrze do czułego detektora. Ale pomimo tego, że znajduje się pod milą litego lodu, IceCube wciąż napotyka około 2500 takich cząstek na sekundę, z których każda mogła być spowodowana neutrino.
Przy oczekiwanym tempie interesujących, rzeczywistych interakcji astrofizycznych neutrin (takich jak przychodzące neutrina z czarnej dziury) unoszącym się około jeden raz w miesiącu, mieliśmy do czynienia z zniechęcającym problemem igły w stogu siana.
Strategia IceCube polega na przyglądaniu się tylko takim wydarzeniom o tak wysokiej energii, że niezwykle mało prawdopodobne jest, aby były pochodzenia atmosferycznego. Dzięki tym kryteriom selekcji i kilkuletnim danym IceCube odkrył astrofizyczne neutrina, których od dawna poszukiwał, ale nie mógł zidentyfikować żadnych pojedynczych źródeł - takich jak aktywne jądra galaktyczne lub rozbłyski promieniowania gamma - wśród kilkudziesięciu neutrin o wysokiej energii schwytany.
Aby wyjawić faktyczne źródła, IceCube zaczął rozpowszechniać powiadomienia o przybyciu neutrin w kwietniu 2016 r. Dzięki pomocy Astrophysical Multimessenger Observatory Network w Penn State. W ciągu następnych 16 miesięcy 11 alertów neutrin IceCube-AMON zostało rozesłanych za pośrednictwem AMON i sieci współrzędnych promieniowania gamma, zaledwie kilka minut lub sekund po wykryciu na biegunie południowym.
22 września 2017 r. IceCube powiadomił międzynarodową społeczność astronomiczną o wykryciu neutrina wysokoenergetycznego. Około 20 obserwatoriów na Ziemi iw kosmosie wykonało obserwacje uzupełniające, które pozwoliły na identyfikację tego, co naukowcy uważają za źródło neutrin o bardzo wysokiej energii, a tym samym promieni kosmicznych. Oprócz neutrin obserwacje dokonane w całym spektrum elektromagnetycznym obejmowały promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie optyczne i radiowe. Obserwatoria te są prowadzone przez międzynarodowe zespoły z udziałem ponad 1000 naukowców wspieranych przez agencje finansujące w krajach na całym świecie. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Alerty uruchomiły zautomatyzowaną sekwencję obserwacji rentgenowskich i ultrafioletowych w NASA Neil Gehrels Swift Observatory i doprowadziły do dalszych badań za pomocą NASA Fermi Gamma-Ray Space Telescope i Nuclear Spectroscopic Telescope Array oraz 13 innych obserwatoriów na całym świecie.
Swift był pierwszym obiektem, który zidentyfikował płonący blazar TXS 0506 + 056 jako możliwe źródło zdarzenia neutrino. Fermi Large Area Telescopethen poinformował, że blazar był w stanie płomienia, emitując o wiele więcej promieni gamma niż w przeszłości. W miarę rozpowszechniania wiadomości inne obserwatoria entuzjastycznie wskoczyły na modę i nastąpił szeroki zakres obserwacji. Naziemny teleskop MAGIC zauważył, że nasze neutrino pochodzi z regionu wytwarzającego bardzo wysokoenergetyczne promienie gamma (każde około dziesięć milionów razy bardziej energetyczne niż promieniowanie rentgenowskie), po raz pierwszy taki przypadek zaobserwowano. Inne obserwacje optyczne dopełniły układanki, mierząc odległość do blazara TXS 0506 + 056: około czterech miliardów lat świetlnych od Ziemi.
Wraz z pierwszą identyfikacją kosmicznego źródła wysokoenergetycznych neutrin wyrosła nowa gałąź drzewa astronomicznego. W miarę jak astronomia wysokoenergetycznych neutrin rośnie wraz z większą liczbą danych, lepszą koordynacją między obserwatorami i bardziej czułymi detektorami, będziemy w stanie mapować niebo neutrino z coraz lepszą precyzją.
Oczekujemy, że nowe ekscytujące przełomy w naszym rozumieniu wszechświata pójdą w ich ślady, takie jak: rozwiązanie stuletniej tajemnicy pochodzenia zdumiewająco energetycznych promieni kosmicznych; testowanie, czy czasoprzestrzeń jest pienista, z fluktuacjami kwantowymi w bardzo małych skalach odległości, jak przewidują niektóre teorie grawitacji kwantowej; i zastanawiając się dokładnie, w jaki sposób kosmiczne akceleratory, takie jak te wokół czarnej dziury TXS 0506 + 056, potrafią przyspieszyć cząstki do tak zapierających dech w piersiach energii.
Przez 20 lat Współpraca IceCube miała marzenie, aby zidentyfikować źródła wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych - i to marzenie jest teraz rzeczywistością.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Doug Cowen, profesor fizyki i profesor astronomii i astrofizyki, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Columbia University
Derek Fox, profesor nadzwyczajny astronomii i astrofizyki, Pennsylvania State University
