În urmă cu aproximativ patru miliarde de ani, când planeta Pământ era încă la început, axa unei găuri negre de aproximativ un miliard de ori mai masivă decât soarele se îndrepta spre locul unde urma să fie planeta noastră pe 22 septembrie 2017.
De-a lungul axei, un jet de particule cu energie mare a trimis fotoni și neutrini în cursa noastră în direcția noastră sau aproape de viteza luminii. Observatorul IceCube Neutrino de la Polul Sud a detectat una dintre aceste particule subatomice - neutrino IceCube-170922A - și a trasat-o înapoi către un mic petic de cer din constelația Orion și a identificat sursa cosmică: o gaură neagră în flăcări de dimensiunea unui miliard soare, la 3, 7 miliarde de ani lumină de Pământ, cunoscut sub numele de blazar TXS 0506 + 056. Blazars sunt cunoscute de ceva timp. Ceea ce nu era clar a fost că aceștia ar putea produce neutrini cu energie mare. Și mai interesant a fost faptul că astfel de neutrini nu au fost niciodată depistați la sursa sa.
Găsirea sursei cosmice a neutrinilor cu energie mare pentru prima dată, anunțată pe 12 iulie 2018 de Fundația Națională a Științei, marchează zorii unei noi ere a astronomiei neutrinoase. Urmărită în condiții de apariție și încep din 1976, când fizicienii pionieri au încercat pentru prima dată să construiască un detector de neutrino cu mare energie în largul coastei Hawaii, descoperirea lui IceCube marchează concluzia triumfătoare a unei campanii lungi și dificile de multe sute de oameni de știință și ingineri - și simultan nașterea unei ramuri complet noi a astronomiei.
Constelația din Orion, cu un bulgăre pe locația blazului. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Detectarea a doi mesageri astronomici distinși - neutrinos și lumină - este o demonstrație puternică a modului în care așa-numita astronomie multimessenger poate oferi pârghia de care avem nevoie pentru a identifica și înțelege unele dintre cele mai energice fenomene din univers. De la descoperirea sa ca sursă de neutrino cu mai puțin de un an în urmă, blazar TXS 0506 + 056 a făcut obiectul unei cercetări intense. Fluxul său asociat de neutrini continuă să ofere o perspectivă profundă asupra proceselor fizice la locul de muncă în apropierea găurii negre și a jetului său puternic de particule și radiații, fasciculate aproape direct spre Pământ de la locația sa chiar de lângă umărul lui Orion.
În calitate de trei oameni de știință dintr-o echipă globală de fizicieni și astronomi implicați în această descoperire remarcabilă, am fost atrași să participăm la acest experiment pentru audiția sa pură, pentru provocarea fizică și emoțională de a lucra schimburi lungi într-o locație brutal rece, în timp ce inseram scumpe, echipamente sensibile în găuri găurite la 1, 5 km adâncime în gheață și făcând totul să funcționeze. Și, bineînțeles, pentru oportunitatea palpitantă de a fi primii oameni care vor face cu ochii pe un nou tip de telescop și vor vedea ce dezvăluie despre ceruri.
**********
La o altitudine care depășește 9 000 de metri și cu temperaturi medii de vară, care rareori rupe un frigid -30 Celsius, Polul Sud s-ar putea să nu te lovească drept locul ideal pentru a face orice, în afară de a te lăuda să vizitezi un loc atât de însorit și luminos, încât ai nevoie de protecție solară. pentru nările tale. Pe de altă parte, odată ce vă dați seama că altitudinea se datorează unei straturi groase de gheață ultrapură realizată din câteva sute de mii de ani de ninsori verzi și că temperaturile scăzute au ținut totul înghețat, atunci s-ar putea să nu vă surprindă asta pentru neutrino constructorii de telescopuri, avantajele științifice depășesc mediul interzis. Polul Sud este acum casa celui mai mare detector de neutrini din lume, IceCube.
Martie 2015: Laboratorul IceCube de la Amundsen-Scott Station Polo Sud, din Antarctica, găzduiește computerele care colectează date brute de la detector. Datorită alocărilor de lățime de bandă prin satelit, primul nivel de reconstrucție și filtrare a evenimentelor se întâmplă în timp real în acest laborator. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Poate părea ciudat că avem nevoie de un detector atât de elaborat, având în vedere că aproximativ 100 de miliarde din aceste particule fundamentale sunt înfipt în miniatură în fiecare secundă și alunecă fără efort pe întregul Pământ, fără a interacționa cu un singur atom pământesc.
De fapt, neutrinii sunt a doua cele mai omniprezente particule, a doua doar fotonii de fundal cosmic cu microunde rămași din Big Bang. Ele cuprind un sfert din particulele fundamentale cunoscute. Cu toate acestea, pentru că abia interacționează cu alte chestiuni, este probabil cel mai puțin înțeles.
Pentru a prinde o mână de aceste particule evazive și pentru a-și descoperi sursele, fizicienii au nevoie de detectori mari - lățimea de kilometri - dintr-un material optic limpede - precum gheața. Din fericire, Mama Natură a furnizat această placă curată de gheață limpede, unde am putea construi detectorul nostru.
Observatorul IceCube Neutrino instrumentează un volum de aproximativ un kilometru cub de gheață antarctică limpede cu 5.160 module optice digitale (DOM) la adâncimi cuprinse între 1.450 și 2.450 de metri. Observatorul include un subdetector dens instrumentat, DeepCore, și un tablou de duș cu aer de suprafață, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) La Polul Sud, câteva sute de oameni de știință și ingineri au construit și desfășurat peste 5.000 de fotosensori individuali în 86 de găuri adânci separate de 1, 5 mile topite în capacul de gheață polară cu un burghiu de apă caldă proiectat personalizat. Pe parcursul a șapte sezoane de vară australiene am instalat toți senzorii. Gama IceCube a fost instalată complet la începutul anului 2011 și preia date în mod continuu de atunci.
Această gamă de detectori legați de gheață se pot simți cu mare precizie atunci când un neutrino zboară și interacționează cu câteva particule pământene care generează modele slabe de lumină albăstruie de Cherenkov, eliberate atunci când particulele încărcate se deplasează printr-un mediu ca gheața la o viteză aproape de lumină.
**********
Calcaiul lui Achile al detectoarelor de neutrino este că alte particule, originare din atmosfera din apropiere, pot declanșa, de asemenea, aceste modele de lumină albăstruie de Cherenkov. Pentru a elimina aceste semnale false, detectoarele sunt îngropate adânc în gheață pentru a filtra interferențele înainte de a putea ajunge la detectorul sensibil. Dar, în ciuda faptului că se află sub aproape o milă de gheață solidă, IceCube încă se confruntă cu un atac de aproximativ 2.500 de astfel de particule în fiecare secundă, fiecare dintre ele putând fi plauzibil datorată unui neutrino.
Având în vedere rata estimată de interacțiuni interesante, reale, de neutrini (cum ar fi neutrinii care intră dintr-o gaură neagră), care se ridică la aproximativ 1 pe lună, ne-am confruntat cu o problemă descurajantă cu acul-în-un-fân.
Strategia IceCube este de a privi doar evenimentele cu o energie atât de mare, încât este foarte puțin probabil să fie de origine atmosferică. Cu aceste criterii de selecție și câțiva ani de date, IceCube a descoperit neutrinii astrofizici pe care îi căutase de mult, dar nu a putut identifica nicio sursă individuală - cum ar fi nucleii galactici activi sau explozii de raze gamma - printre cele câteva zeci de neutrozi cu energie mare prinsese.
Pentru a elimina sursele reale, IceCube a început să distribuie alerte de sosire a neutrinilor în aprilie 2016, cu ajutorul rețelei de observații astrofizice multimessenger din Penn State. Pe parcursul următoarelor 16 luni, au fost distribuite 11 alerte neutrino IceCube-AMON prin AMON și Rețeaua de coordonate a razei Gamma, la doar câteva minute sau secunde după ce au fost detectate la Polul Sud.
Pe 22 septembrie 2017, IceCube a alertat comunitatea astronomică internațională despre detectarea unui neutrin cu energie mare. Aproximativ 20 de observatorii pe Pământ și în spațiu au făcut observații de urmărire, ceea ce a permis identificarea a ceea ce oamenii de știință consideră a fi o sursă de neutrini cu energie foarte ridicată și, astfel, a razelor cosmice. În afară de neutrini, observațiile făcute pe tot spectrul electromagnetic au inclus radiații gamma, raze X și radiații optice și radio. Aceste observatorii sunt conduse de echipe internaționale cu un număr de peste 1.000 de oameni de știință susținuți de agenții de finanțare din țări din întreaga lume. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Alertele au declanșat o secvență automată de observații cu raze X și ultraviolete cu Observatorul Swift Neil Gehrels de la NASA și au condus la studii suplimentare cu Telescopul spațial Fermi Gamma-Ray al NASA și cu telescopul spectroscopic nuclear și cu alte 13 observatorii din întreaga lume.
Swift a fost prima instalație care a identificat blazarul flăcător TXS 0506 + 056 ca o posibilă sursă a evenimentului neutrino. Telescopetenul Fermi Large Area a raportat că blazarul se afla într-o stare în flăcări, emițând mai multe raze gamma decât a avut în trecut. Pe măsură ce știrile s-au răspândit, alte observatorii au sărit cu entuziasm pe vagonul de bandă și au urmat o gamă largă de observații. Telescopul MAGIC bazat la sol a observat că neutrino-ul nostru provenea dintr-o regiune care produce raze gamma cu energie foarte mare (fiecare de aproximativ zece milioane de ori mai energică decât o radiografie), prima dată când a fost observată o astfel de coincidență. Alte observații optice au completat puzzle-ul prin măsurarea distanței până la blazar TXS 0506 + 056: aproximativ patru miliarde de ani lumină de Pământ.
Odată cu prima identificare a unei surse cosmice de neutrini cu energie mare, a apărut o nouă ramură de pe arborele astronomiei. Pe măsură ce astronomia neutrino cu energie mare crește cu mai multe date, o coordonare interobservativă îmbunătățită și detectoare mai sensibile, vom putea să mapăm cerul neutrinelor cu o precizie mai bună și mai bună.
Și ne așteptăm la noi descoperiri interesante în înțelegerea universului care să ne urmeze, cum ar fi: rezolvarea misterului vechi de secol al originii razelor cosmice uluitor de energice; testarea dacă spațiul în sine este spumoasă, cu fluctuații cuantice la scări de distanță foarte mici, așa cum este prevăzut de anumite teorii ale gravitației cuantice; și descoperind exact modul în care acceleratoarele cosmice, precum cele din jurul găurii negre TXS 0506 + 056, reușesc să accelereze particulele la astfel de energii uluitoare.
Timp de 20 de ani, colaborarea IceCube a avut un vis de a identifica sursele neutrinilor cosmici de mare energie - iar acest vis este acum o realitate.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Doug Cowen, profesor de fizică și profesor de astronomie și astrofizică, Universitatea de Stat din Pennsylvania
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Universitatea Columbia
Derek Fox, profesor asociat de astronomie și astrofizică, Universitatea de Stat din Pennsylvania
