https://frosthead.com

Teadlased selgitavad, kuidas kaugest galaktikast saab neutrino avastada

Umbes neli miljardit aastat tagasi, kui planeet Maa oli alles lapsekingades, osutas Päike umbes miljard korda massiivsema musta augu telg otse sinna, kuhu meie planeet asus 22. septembril 2017.

Mööda telge saatis kõrge energiaga osakeste joa footonid ja neutriinod, mis võtsid meie suunas suuna valguse kiirusel või lähedal. Lõunapooluse juures asuv IceCube'i neutrino observatoorium tuvastas ühe neist subatomaatilistest osakestest - neutriino IceCube-170922A - ja jälitas selle tagasi Orioni tähtkujus asuva väikese taevalaiguni ning tõi välja kosmilise allika: miljardi suuruse põleva musta augu. päikesed, Maast 3, 7 miljardit valgusaastat, tuntud kui blazar TXS 0506 + 056. Blazareid on juba mõnda aega teada. Mis polnud selge, oli see, et nad suudavad toota kõrge energiaga neutriine. Veel põnevam oli see, et selliseid neutriinoid ei olnud kunagi varem selle lähtele kindlaks tehtud.

Riikliku teadusfondi 12. juulil 2018 välja kuulutatud kõrge energiaga neutriinode kosmilise allika leidmine esimest korda tähistab neutriinoastronoomia uue ajastu algust. Jätkub sobivuses ja algab 1976. aastast, mil teedrajavad füüsikud üritasid esmakordselt ehitada Havai rannikult suuremahulist suure energiaga neutriinodetektorit. IceCube'i avastus tähistab paljude sadade teadlaste ja inseneride pika ja raske kampaania võidukäiku - ja samaaegselt täiesti uue astronoomiaharu sünd.

Orioni tähtkuju koos härjaväega blasari asukohas. Orioni tähtkuju koos härjaväega blasari asukohas. (Silvia Bravo Gallart / projekti_WIPAC_kommunikatsioon, CC BY-ND)

Kahe eraldiseisva astronoomilise sõnumitooja - neutriinode ja valguse - tuvastamine on võimas tõestus sellest, kuidas niinimetatud multimessengeri astronoomia võib anda hoogu, mida vajame universumi kõige energilisemate nähtuste tuvastamiseks ja mõistmiseks. Pärast vähem kui aasta tagasi avastamist neutriinoallikana on blazar TXS 0506 + 056 olnud intensiivse kontrolli objekt. Sellega seotud neutriinovool pakub sügavat ülevaadet musta auku lähedal töötavatest füüsilistest protsessidest ning selle võimsast osakeste ja radiatsiooni jugast, mida kiigatakse peaaegu otse Maa suunas, selle asukohast otse Orioni õla alt.

Kolme teadlasena selle tähelepanuväärse avastusega seotud füüsikute ja astronoomide ülemaailmses meeskonnas olid meid kutsutud osalema selles katses selle täieliku julguse, füüsiliste ja emotsionaalsete väljakutsete jaoks, mis tulenevad pikkade vahetustega töötamisest jõhkralt külmas kohas, samal ajal kallite sisse pannes. tundlikud seadmed aukudesse puuriti 1, 5 miili sügavusele jäässe ja panid selle kõik tööle. Ja muidugi põneva võimaluse eest olla esimesed inimesed, kes astuvad uhiuue teleskoobi sisse ja näevad, mida see taevalaotusest näitab.

**********

Kui kõrgus ületab 9000 jalga ja keskmise suvetemperatuuri korral murdub harva külm - 30 kraadi, ei pruugi lõunapoolus teid pidada ideaalseks kohaks, peale selle, et julgustate külastama nii päikesepaistelisi ja eredaid kohti, kui vajate päikesekaitsetooteid. teie ninasõõrmete jaoks. Teisest küljest, kui te mõistate, et kõrgus on tingitud paksu ülikerge jääkihiga, mis on valmistatud mitmesaja tuhande aasta pikkuses põlistes lumesadudest ja et madalad temperatuurid on kõik kenasti külmunud, ei pruugi see teile üllatust pakkuda. Teleskoobi ehitajad, kaaluvad teaduslikud eelised keelustava keskkonna. Lõunapoolus on nüüd maailma suurima neutriinodetektori IceCube kodu.

Märts 2015: IceCube'i labor Märts 2015: Antarktikas Amundsen-Scotti lõunapooluse jaamas asuvas IceCube'i laboris hostitakse arvuteid, mis koguvad detektorist töötlemata andmeid. Satelliidi ribalaiuse eraldamise tõttu toimub rekonstrueerimise ja sündmuste filtreerimise esimene tase selles laboris peaaegu reaalajas. (Erik Beiser, IceCube / NSF)

Võib tunduda veider, et vajame sellist keerukat detektorit, arvestades, et umbes 100 miljardit neist põhiosakestest sirgub teie pisipildi kaudu igal sekundil ja libiseb vaevata läbi kogu Maa, ilma et oleks integreeritud ühe maise aatomiga.

Tegelikult on neutriinod kõige levinumad osakesed, suuruselt teine ​​ainult Suurest Paugust järelejäänud kosmiliste mikrolainete taustfotoonide järgi. Need koosnevad veerandist teadaolevatest põhiosakestest. Kuna nad vaevalt suhelda muude küsimustega, on nad vaieldamatult kõige vähem mõistvad.

Peotäie nende tabamatute osakeste leidmiseks ja nende allikate leidmiseks vajavad füüsikud suurt kilomeetri laiust detektorit, mis on valmistatud optiliselt selgest materjalist - nagu jää. Õnneks varustas emake loodus selle puhta jääga tahvli, kuhu saaksime oma detektori ehitada.

Neutrino vaatluskeskus IceCube IceCube Neutrino vaatluskeskus mõõdab umbes 1 kuupkilomeetri selget Antarktika jääd 5 160 digitaalse optilise mooduliga (DOM) sügavusel 1450–2450 meetrit. Observatoorium sisaldab tihedalt instrumenteeritud alamdetektorit DeepCore ja pinnapealse dušidurniiri IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF)

Lõunapoolusel on mitusada teadlast ja inseneri ehitanud ja kasutusele võtnud üle 5000 üksiku fotosensori 86 eraldi 1, 5 miili sügavuses augus, mis on sulanud polaarjääkorki eritellimusel mõeldud kuumaveepuuriga. Seitsme austraalse suvehooaja jooksul paigaldasime kõik andurid. IceCube'i massiiv paigaldati täielikult 2011. aasta alguses ja on alates sellest ajast pidevalt andmeid võtnud.

Seda jääga seotud detektorite massiivi saab väga täpselt tajuda, kui neutriino lendab läbi ja interakteerub mõne maapealse osakesega, mis tekitavad hämaraid Cherenkovi valguse mustreid, mis eralduvad, kui laetud osakesed liiguvad valguse kiirusel lähedases keskkonnas nagu jää.

**********

Neutriinodetektorite Achilleuse kand seisneb selles, et ka teised läheduses olevast atmosfäärist pärit osakesed võivad neid sinakat Cherenkovi valgust esile kutsuda. Nende valesignaalide kõrvaldamiseks maetakse detektorid sügavale jäässe, et häired välja filtreerida, enne kui need jõuavad tundlikku detektorisse. Kuid vaatamata sellele, et ta on peaaegu miili tahke jää all, seisab IceCube igal sekundil silmitsi umbes 2500 sellise osakesega, millest igaüks võis arvatavasti olla tingitud neutriinost.

Arvestades huvitavate, tõeliste astrofüüsikaliste neutriinointeraktsioonide (näiteks mustast august saabuvate neutriinode) tõenäosust, mis hõlmas umbes ühte kuus, seisis meie ees hirmuäratav probleem nõelas-in-heinas.

IceCube'i strateegiaks on vaadata ainult selliseid sündmusi, kus on nii palju energiat, et nende atmosfääri päritolu on äärmiselt ebatõenäoline. Nende valikukriteeriumide ja mitu aastat kestnud andmete abil avastas IceCube astrofüüsikalised neutriinod, mida ta juba ammu otsis, kuid ta ei suutnud mitmekümnest suure energiast koosneva neutriino hulgast tuvastada üksikuid allikaid - näiteks aktiivseid galaktilisi tuumasid või gammakiirguse purunemisi. olid vallutanud.

Tegelike allikate peletamiseks hakkas IceCube 2016. aasta aprillis Penni osariigis astrofüüsikalise multimessengeri vaatluskeskuse abiga levitama neutriinide saabumise hoiatusi. Järgmise 16 kuu jooksul levitati AMONi ja Gamma-ray koordinaatide võrgu kaudu 11 IceCube-AMON-i neutriinoalarmi vaid mõni minut või sekund pärast avastamist lõunapoolusel.

IceCube sai sellest teada 22. septembril 2017 22. septembril 2017 hoiatas IceCube rahvusvahelist astronoomiakogukonda suure energiaga neutriino avastamise eest. Ligikaudu 20 observatooriumi Maal ja kosmoses tegid järelvaatlusi, mis võimaldasid kindlaks teha, mida teadlased peavad väga kõrge energiaga neutriinode ja seega kosmiliste kiirte allikaks. Lisaks neutriinodele hõlmasid kogu elektromagnetilise spektri vaatlused gammakiiri, röntgenikiirgust ning optilist ja raadiokiirgust. Neid vaatluskeskusi juhivad rahvusvahelised meeskonnad, kus on kokku üle 1000 teadlase, keda toetavad rahastamisagentuurid kogu maailmas. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube)

**********

Hoiatused käivitasid NASA Neil Gehrelsi Swifti vaatluskeskuse automatiseeritud röntgen- ja ultraviolettvaatluste jada ning viisid edasiste uuringute tegemiseni NASA Fermi gammakiirte kosmoseteleskoobi ja tuumaspektroskoopilise teleskoobi massiivi ning veel 13 vaatluskeskusega kogu maailmas.

Swift oli esimene vahend, mis tuvastas pleegitanud signaali TXS 0506 + 056 neutriinisündmuse võimaliku allikana. Fermi suure pindala teleskoopteade teatas, et basaar oli põlevas olekus, kiirgates palju rohkem gammakiiri kui varem. Uudiste leviku järel hüppasid teised observatooriumid entusiastlikult ribalaevale ja järel tuli laia valikut vaatlusi. Maapealse teleskoobi MAGIC järgi oli meie neutriino pärit piirkonnast, kus toodetakse väga suure energiaga gammakiiri (igaüks neist on kümme miljonit korda energilisem kui röntgenikiirgus), esimest korda sellist kokkusattumust on kunagi täheldatud. Muud optilised vaatlused lõpetasid mõistatuse, mõõtes kaugust blazari TXS 0506 + 056: umbes neli miljardit valgusaastat Maast.

Kõrgenergiliste neutriinode kosmilise allika esmakordse tuvastamisega on astronoomiapuule tärganud uus haru. Kuna suure energiatarbega neutriinoastronoomia kasvab koos andmete, parema vaatluskeskustevahelise koordineerimise ja tundlikumate detektoritega, saame neutriinotaeva kaardistada parema ja täpsema täpsusega.

Ja loodame, et eeskujuks on universumi mõistmisel uued põnevad läbimurded, näiteks: uskumatult energiliste kosmiliste kiirte päritolu sajandivanuse mõistatuse lahendamine; katsetamine, kas ruumi aeg ise on vahune, kvantkõikumistega väga väikeste vahemaade korral, nagu ennustavad kvantgravitatsiooni teatud teooriad; ja täpselt välja mõeldes, kuidas kosmilised kiirendid, näiteks need, mis asuvad TXS 0506 + 056 musta augu ümber, suudavad osakesi kiirendada nii hingematvalt kõrgete energiateni.

20 aastat kestnud IceCube'i koostööl oli unistus tuvastada kõrge energiaga kosmiliste neutriinode allikad - ja see unistus on nüüd reaalsus.


See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation. Vestlus

Pennsylvania osariigi ülikooli füüsikaprofessor ning astronoomia ja astrofüüsika professor Doug Cowen

Azadeh Keivani, Columbia ülikooli teadur Frontiers

Derek Fox, Pennsylvania osariigi ülikooli astronoomia ja astrofüüsika dotsent

Teadlased selgitavad, kuidas kaugest galaktikast saab neutrino avastada