IceCube-kokeilun pintarakenne, joka sijaitsee melkein yhden mailin (1,6 kilometrin) jään alla Antarktis. IceCube ehdottaa, että aavemaisia neutriinoja ei ole olemassa, mutta uuden kokeilun mukaan ne ovat.
(Kuva: © IceCube Neutrino Observatoryn kohteliaisuus)
Antarktikan jäisellä jätealueella istuu massiivinen hiukkasten ilmaisin, IceCube Neutrino Observatory. Mutta instrumentin pinnan etsiminen osoittautuu vaikeaksi, koska suurin osa observatoriosta on juuttunut jään alle. Kansainvälinen observatorio on etsinyt neutriinoja - massattomia, lataamattomia hiukkasia, jotka eivät milloinkaan ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Nyt sen havainnot voivat ratkaista yhden suurimmista tähtitieteen mysteereistä, vastaamalla neutriinojen ja kosmisten säteiden taustalla oleviin kysymyksiin.
Suurin heistä kaikista
IceCube Neutrinon observatorio kattaa yhden kuutikilometrin lähellä etelänapaa. Instrumentti kattaa neliökilometrin pinnan ja ulottuu 1 500 metrin syvyyteen. Se on ensimmäinen gigatonton neutrino-ilmaisin, joka koskaan rakennettu.
Vaikka IceCube-valokuvissa näkyy usein rakennus lumisella pinnalla, todellinen työ tehdään alla. Monikäyttökoe sisältää pintamatriisin, IceTop, ryhmän, jossa on 81 asemaa, jotka istuvat jousien yläpuolella. IceTop toimii IceCube: n kalibrointianturina, ja se havaitsee ilman suihkut primäärisiltä kosmisilta säteiltä sekä niiden vuon ja koostumuksen.
Tiheä sisäinen alitunnistin, DeepCore, on IceCube-kokeilun voimanpesä. Jokainen IceTop-asema koostuu merkkijonoista, jotka on kiinnitetty digitaalisiin optisiin moduuleihin (DOM), jotka on sijoitettu kuusikulmaiseen verkkoon, jonka etäisyys on 410 jalkaa (125 metriä). Jokaisessa narussa on 60 koripallon kokoista DOM: ta. Täällä, syvällä jäässä, IceCube pystyy metsästämään aurinkoon, Linnunradan sisäpuolelta ja galaksin ulkopuolelta tulevia neutriinoja. Nämä aavemaiset hiukkaset ovat yhteydessä kosmisiin säteisiin, korkeimpiin energiahiukkasiin, joita koskaan on havaittu.
[Aiheeseen liittyviä: Neutrino-aineiston jäljittäminen lähteeseen: Löytö kuvissa]
Salaperäiset hiukkaset
Kosmiset säteet havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1912. Voimakkaat säteilypurskaukset törmäävät maan kanssa jatkuvasti, virtaamalla sisään galaksin kaikista osista. Tutkijat laskivat, että varautuneiden hiukkasten on muodostettava joitain maailmankaikkeuden väkivaltaisimmista ja vähiten ymmärretyistä esineistä ja tapahtumista. Tähden, supernoovan räjähtävä tähtikuolema tarjoaa yhden menetelmän kosmisten säteiden luomiseksi; aktiiviset mustat aukot galaksien keskellä, toiset.
Koska kosmiset säteet koostuvat varautuneista hiukkasista, ne ovat kuitenkin vuorovaikutuksessa tähtijen ja muiden niiden läpi kulkevien esineiden magneettikentien kanssa. Pellot vääntyvät ja siirtävät kosmisten säteiden polkua, jolloin tutkijoiden on mahdotonta jäljittää niitä takaisin lähteelleen.
Siellä neutriinot tulevat peliin. Kuten kosmiset säteet, myös pienimassan hiukkasten ajatellaan muodostuvan väkivallan kautta. Mutta koska neutriinoilla ei ole varausta, ne kulkevat magneettikenttiä muuttamatta polkuaan kulkeessaan suorassa lähteestä.
"Tästä syystä kosmisten säteilylähteiden etsinnästä on tullut myös erittäin korkeaenergisten neutriinojen etsimistä", IceCube-verkkosivuston mukaan.
Kuitenkin samat ominaisuudet, jotka tekevät neutriinoista niin hyviä sanansaattajia, tarkoittavat myös, että niitä on vaikea havaita. Joka sekunti noin 100 miljardia neutriinoa kulkee kehon yhden tuuman tuuman läpi. Suurin osa heistä tulee auringosta, eivätkä ole riittävän energisiä, jotta IceCube voi tunnistaa ne, mutta jotkut ovat todennäköisesti tuotettu Linnunradan ulkopuolella.
Neutriinon määrääminen vaatii erittäin kirkkaan materiaalin, kuten veden tai jään, käyttöä. Kun yksi neutriino kaatuu protoniksi tai neutroniksi atomin sisällä, tuloksena oleva ydinreaktio tuottaa sekundaarisia hiukkasia, jotka lähettävät sinisen valon, joka tunnetaan nimellä Cherenkov-säteily.
"Havaitsemme neutriinot ovat kuin sormenjäljet, jotka auttavat meitä ymmärtämään esineitä ja ilmiöitä, joissa neutriinoja tuotetaan", IceCube-tiimin mukaan.
Rankat olosuhteet
Etelänapa ei ehkä ole ulkoavaruus, mutta se tuo omat haasteensa. Insinöörit aloittivat rakentamisen IceCubessa vuonna 2004, seitsemän vuoden hankkeessa, joka saatiin päätökseen aikataulun mukaisesti vuonna 2010. Rakentaminen voi tapahtua vain muutaman kuukauden vuodessa eteläisen pallonpuoliskon kesän aikana, joka tapahtuu marraskuusta helmikuuhun.
86 reiän poraaminen edellytti erityistä porausta - itse asiassa kahta niistä. Ensimmäinen eteni kuusen läpi, kerros tiivistettyä lunta 50 metriin noin 164 jalkaan. Sitten korkeapaineinen kuumavesiporaus sulasi jään läpi nopeudella noin 2 metriä (6,5 jalkaa) minuutissa, 2450 metrin (8,038 jalkaa tai 1,5 mailia) syvyyteen.
"Yhdessä kaksi poraa pystyivät tuottamaan johdonmukaisesti melkein täydelliset pystysuuntaiset reiät, jotka ovat valmiita instrumentoinnin käyttöön, nopeudella yksi reikä joka toinen päivä", IceCube toteaa.
Jouset piti sitten laittaa nopeasti sulattuun veteen ennen jään jäätymistä. Pakastaminen vakiintui muutaman viikon ajan, minkä jälkeen instrumentit pysyivät koskemattomina, jäätyivät pysyvästi jäässä ja eivät pystyneet korjaamaan. Mittarien vikaantumisaste on ollut erittäin hidas, alle 100: sta 5500-anturista ei tällä hetkellä ole toiminnassa.
IceCube aloitti havaintojen tekemisen alusta alkaen, vaikka muita jousia oli käytössä.
Projektin alkaessa tutkijoilla oli epäselvyyttä siitä, kuinka kaukana valo kulkee jään läpi, Halzenin mukaan. Kun nämä tiedot ovat vakiintuneita, yhteistyö pyrkii kohti IceCube-Gen2: ta. Parannettu observatorio lisäisi noin 80 lisää ilmaisinjonoja, kun taas jään ominaisuuksien ymmärtäminen antaa tutkijoille mahdollisuuden sijoittaa anturit laajemmin toisistaan kuin alkuperäiset konservatiiviset arviot. IceCube-Gen2: n pitäisi kaksinkertaistaa observatorion koko suunnilleen samoilla kustannuksilla.
Uskomaton tiede
IceCube aloitti neutriinojen metsästyksen ennen kuin se oli valmis, tuottaen useita kiehtovia tieteellisiä tuloksia matkalla.
Toukokuun 2010 ja toukokuun 2012 välillä IceCube havaitsi 28 erittäin korkean energian hiukkasia. Halzen katsoi ilmaisimen kykyä tarkkailla näitä ääritapahtumia ilmaisimen valmistumiseen.
"Tämä on ensimmäinen osoitus erittäin korkeaenergisista neutriinoista, jotka tulevat aurinkokuntamme ulkopuolelta. Energiat ovat yli miljoona kertaa suuremmat kuin vuonna 1987, kun havaittiin supernoovan yhteydessä suuressa Magellanin pilvessä", sanotaan Halzen lausunnossa. "On ilahduttavaa, että viimeinkin näemme mitä olemme etsineet. Tämä on tähtitieteen uuden aikakauden alkaminen."
Huhtikuussa 2012 havaittiin pari korkeaenergisia neutriinoja, joista nimettiin Bert ja Ernie, lasten televisiosarjan "Sesame Street" hahmojen jälkeen. Parien ollessa yli 1 petaelektronvoltin (PeV), parit olivat ensimmäiset lopullisesti havaitut aurinkojärjestelmän ulkopuolelta tulevat neutriinot vuodesta 1987 lähtien tapahtuneen supernovan jälkeen.
"Se on merkittävä läpimurto", sanoi Saksan Erlangen-Nürnbergin yliopiston hiukkasfyysikko Uli Katz, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "Minusta se on yksi ehdottomista suurista löytöistä astrohiukkasfysiikassa", Katz kertoi Space.com: lle.
Nämä havainnot johtivat siihen, että IceCube sai vuoden fysiikan maailman 2013 läpimurron.
Toinen merkittävä voitto tapahtui 4. joulukuuta 2012, kun observatorio havaitsi tapahtuman, jota tutkijat kutsuivat suureksi lintuksi, myös "Sesame Street -kadulta". Big Bird oli neutriino, jonka energia ylitti kaksi kvadriljoonaa elektronivoltta, yli miljoona miljoonaa kertaa suurempi kuin hammasröntgen energia, pakattu yhdeksi hiukkaseksi, jossa on vähemmän kuin miljoonaosa elektronin massasta. Tuolloin se oli korkeimman energian neutriino, joka on koskaan havaittu; Vuodesta 2018 lähtien se on edelleen toisella sijalla.
NASA: n Fermi Gamma-ray-avaruuskaukoputken avulla tutkijat sitoutuivat Big Birdin PKS B1424-418 -nimisen blazarin voimakkaaseen energiseen puhkeamiseen. Blazaareja saavat supermassiiviset mustat aukot galaksin keskellä. Kun musta reikä kuluu materiaalia, osa materiaalista taipuu suihkukoneisiin, joissa on niin paljon energiaa, että ne ylittävät galaksin tähdet. Suihkut kiihdyttävät ainetta, muodostaen neutriinoja ja atomien fragmentteja, jotka luovat kosmisia säteitä.
Kesästä 2012 alkaen blazari loisti gammasäteissä 15–30 kertaa kirkkaammin kuin keskimäärin ennen purkausta. Pitkäaikainen tarkkailuohjelma nimeltä TANAMI, joka seurasi rutiininomaisesti lähes 100 aktiivista galaksia eteläisellä taivaalla, paljasti, että galaksin suihkun ydin oli vaalennut neljä kertaa vuosien 2011 ja 2013 välillä.
"Mikään muu galaksiimme, joita TANAMI on tarkkaillut ohjelman aikana, ei ole osoittanut niin dramaattisia muutoksia", - sanoi Eduardo Ros, Saksan Max Planck Radioastronomian instituutista (MPIfR), vuoden 2016 lausunnossa. Joukkue laski, että kaksi tapahtumaa olivat yhteydessä toisiinsa.
"Kun otetaan huomioon kaikki havainnot, blazarilla näyttää olevan voimavaroja, motiivia ja mahdollisuus ampua Big Bird -neutrino, mikä tekee siitä ensisijaisen epäillymme", kertoi Matthias Kadler, Würzburgin yliopiston astrofysiikan professori. Saksa."
IceCube ilmoitti heinäkuussa 2018, että se oli ensimmäistä kertaa jäljittänyt neutriinoja takaisin lähteen blazariin. Syyskuussa 2017 äskettäin asennetun hälytysjärjestelmän ansiosta, joka lähetettiin tutkijoille ympäri maailmaa muutaman minuutin kuluessa voimakkaan neutrinoehdokkaan löytämisestä, tutkijat pystyivät kääntämään teleskooppinsa nopeasti uuden signaalin lähteen suuntaan. Fermi varoitti tutkijoita aktiivisen blazarin, nimeltään TXS-0506 + 056, esiintymisestä samassa taivaan osassa. Uudet havainnot vahvistivat, että basaari leimahti ja lähetti tavallista kirkkaampia energiapurskauksia.
TXS on suurimmaksi osaksi tyypillinen blazari; se on yksi Fermin havaitsemista 100 kirkkaimmasta bleiseristä. Vaikka 99 muuta myös ovat kirkkaita, he eivät ole heittäneet neutriinoja kohti IceCubea. Viime kuukausina TXS on leimahtanut, kirkastanut ja himmentänyt sata kertaa voimakkaammin kuin aiempina vuosina.
"Jäljittämällä IceCuben havaitsema korkeaenerginen neutriino takaisin kohtaan TXS 0506 + 056 tekee tästä ensimmäistä kertaa, kun olemme pystyneet tunnistamaan tietyn esineen todennäköisenä lähteenä tällaisen suuren energian omaavalle neutriinolle", Gregory Sivakoff, yliopistosta. Alberta Kanadasta, sanoi lausunnossaan.
IceCube ei ole vielä valmis. Uusi hälytysjärjestelmä pitää tähtitieteilijät varpaina tulevina vuosina. Observatorion suunniteltu käyttöikä on 20 vuotta, joten etelänavan observatoriosta tulee ainakin vielä yksi vuosikymmen uskomatonta löytöä.
