Asi před čtyřmi miliardami let, když byla planeta Země ještě v plenkách, osa černé díry asi miliardkrát větší než Slunce směřovala přesně tam, kde bude naše planeta 22. září 2017.
Vysokoenergetický paprsek částic poslal podél osy fotony a neutrina závodící v našem směru rychlostí světla nebo blízko ní. Observatoř IceCube Neutrino na jižním pólu detekovala jednu z těchto subatomových částic - neutron IceCube-170922A - a vystopovala ji zpět k malé skvrně oblohy v souhvězdí Orion a určila kosmický zdroj: ohnivou černou díru o velikosti miliardy slunce, 3, 7 miliardy světelných let od Země, známý jako blazar TXS 0506 + 056. O Blazars je známo už nějakou dobu. Nebylo jasné, že mohou produkovat vysoce energetická neutrina. Ještě více vzrušující bylo, že takováto neutrina nikdy nebyla vysledována ke svému zdroji.
Hledání kozmického zdroje vysokoenergetických neutrinů poprvé, které bylo oznámeno 12. července 2018 Národní vědeckou nadací, znamená úsvit nové éry neutrinové astronomie. Pronásledováno a započato od roku 1976, kdy se průkopní fyzici poprvé pokusili postavit velkorozměrový vysokoenergetický neutrinový detektor na havajském pobřeží, objev IceCube znamená vítězný závěr dlouhé a obtížné kampaně mnoha stovek vědců a techniků - a současně zrození zcela nové větev astronomie.
Souhvězdí Orionu s bullseye na místě blazaru. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Detekce dvou odlišných astronomických poslů - neutrin a světla - je silnou ukázkou toho, jak takzvaná multimessengerová astronomie může poskytnout páku, kterou potřebujeme k identifikaci a pochopení některých nejenergetičtějších jevů ve vesmíru. Od svého objevu jako zdroje neutrinů před méně než rokem byl blazar TXS 0506 + 056 předmětem intenzivního zkoumání. Její přidružený proud neutrinů nadále poskytuje hluboký vhled do fyzikálních procesů při práci v blízkosti černé díry a jeho silný paprsek částic a záření, paprskem téměř přímo k Zemi z jeho polohy těsně mimo rameno Orionu.
Jako tři vědci v globálním týmu fyziků a astronomů, kteří se podílejí na tomto pozoruhodném objevu, jsme byli přitahováni k účasti na tomto experimentu pro jeho naprostou drzost, pro fyzickou a emoční výzvu pracovat s dlouhými směnami na brutálně chladném místě a vkládat drahé, citlivé zařízení do děr vyvrtaných 1, 5 mil hluboko v ledu a to vše funguje. A samozřejmě pro tuto vzrušující příležitost být prvními lidmi, kteří se podívali na zbrusu nový druh dalekohledu a uviděli, co odhaluje o nebesích.
**********
V nadmořské výšce přesahující 9 000 stop a při průměrných letních teplotách zřídkakdy láme mrazivý -30 stupňů Celsia, nemusí vás jižní pól udeřit jako ideální místo pro cokoli, kromě vychloubání o návštěvě místa, které je tak slunečné a jasné, že potřebujete opalovací krém pro vaše nozdry. Na druhou stranu, jakmile si uvědomíte, že nadmořská výška je způsobena hustým pláštěm ultračistého ledu vyrobeného z několika stotisíc let nedotčeného sněžení a že nízké teploty to všechno pěkně zamrzly, možná vás to nepřekvapí, že u neutrina stavitelé dalekohledů, vědecké výhody převažují nad zakázaným prostředím. Jižní pól je nyní domovem největšího neutrino detektoru na světě, IceCube.
Březen 2015: Laboratoř IceCube na stanici Amundsen-Scott South Pole v Antarktidě hostí počítače, které shromažďují nezpracovaná data z detektoru. Díky alokaci šířky pásma satelitu se první úroveň rekonstrukce a filtrování událostí děje v této laboratoři téměř v reálném čase. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Může se to zdát divné, že potřebujeme takový propracovaný detektor, protože asi 100 miliard těchto základních částic se sashay každou sekundu přes vaše miniatury a bez námahy klouže po celé Zemi, aniž by interagovalo s jediným pozemským atomem.
Ve skutečnosti jsou neutrina druhá nejvíce všudypřítomná částice, druhá za fotony kosmického mikrovlnného pozadí, které zbyly z Velkého třesku. Obsahují jednu čtvrtinu známých základních částic. Přesto, protože sotva interagují s jinou hmotou, jsou patrně nejméně dobře známí.
Aby chytili hrst těchto nepolapitelných částic a objevili jejich zdroje, fyzici potřebují velké - kilometr široké - detektory vyrobené z opticky čirého materiálu - jako je led. Naštěstí matka příroda poskytla tuto nedotčenou desku čistého ledu, kde bychom mohli postavit náš detektor.
Observatoř IceCube Neutrino disponuje objemem zhruba jednoho krychlového kilometru čirého antarktického ledu s 5 160 digitálními optickými moduly (DOM) v hloubkách 1 450 až 2 450 metrů. Observatoř zahrnuje hustě instrumentovaný subdetektor, DeepCore a sprchu na povrchu vzduchu, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Na jižním pólu několik stovek vědců a techniků postavilo a rozmístilo přes 5 000 jednotlivých fotosenzorů v 86 samostatných 1, 5 mil hlubokých dírách roztavených v polárním ledovém uzávěru pomocí speciálně navrženého vrtáku na horkou vodu. V průběhu sedmi australských letních sezón jsme nainstalovali všechny senzory. Pole IceCube bylo plně nainstalováno začátkem roku 2011 a od té doby data nepřetržitě sbírá.
Tato řada detektorů vázaných na led může cítit s velkou přesností, když neutrino proletí a interaguje s několika pozemskými částicemi, které vytvářejí matné vzory namodralého Cherenkovova světla.
**********
Achillovou patou neutrinových detektorů je, že tyto částice namodralého Cherenkovova světla mohou vyvolat i jiné částice pocházející z okolní atmosféry. Aby se eliminovaly tyto falešné signály, jsou detektory pohřbeny hluboko v ledu, aby odfiltrovaly interference dříve, než dosáhne citlivého detektoru. Přestože IceCube byl pod téměř kilometrem tuhého ledu, stále čelí náporu asi 2 500 takových částic každou sekundu, z nichž každá mohla být pravděpodobně způsobena neutrinem.
S očekávanou mírou zajímavých skutečných astrofyzikálních interakcí neutrinů (jako přicházejících neutrin z černé díry), která se pohybovala přibližně v jednom za měsíc, jsme čelili skličujícímu problému s kupím sena.
Strategie IceCube je zaměřit se pouze na události s tak vysokou energií, že je mimořádně nepravděpodobné, že budou mít atmosférický původ. Na základě těchto výběrových kritérií a několika let dat IceCube objevil astrofyzikální neutrina, která již dlouho hledal, ale nemohl identifikovat žádné jednotlivé zdroje - například aktivní galaktická jádra nebo výboje gama paprsků - mezi několika desítkami vysokoenergetických neutrin. zachytil.
Aby bylo možné škádlit skutečné zdroje, společnost IceCube začala v dubnu 2016 distribuovat výstrahy o příchodu neutrinů s pomocí Astrophysical Multimessenger Observatory Network ve státě Penn State. V průběhu následujících 16 měsíců bylo prostřednictvím AMON a Gamma-ray Coordinates Network distribuováno 11 výstrah neutrina IceCube-AMON, jen několik minut nebo sekund poté, co byly detekovány na jižním pólu.
Dne 22. září 2017 společnost IceCube upozornila mezinárodní astronomickou komunitu na detekci vysoce energetického neutrina. Asi 20 observatoří na Zemi a ve vesmíru provedlo následná pozorování, která umožnila identifikaci toho, co vědci považují za zdroj neutrin s velmi vysokou energií a tedy kosmických paprsků. Kromě neutrin, pozorování napříč elektromagnetickým spektrem zahrnovala gama záření, rentgenové záření a optické a rádiové záření. Tyto observatoře provozují mezinárodní týmy s celkem více než 1 000 vědci podporovanými finančními agenturami v zemích po celém světě. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Výstrahy spustily automatickou sekvenci rentgenových a ultrafialových pozorování s observatořem Neil Gehrels Swift Observatory NASA a vedly k dalším studiím s kosmickým dalekohledem NASA Fermi Gamma-Ray a nukleárním spektroskopickým dalekohledem a 13 dalšími observatořími po celém světě.
Swift byl prvním zařízením, které identifikovalo hořící blazar TXS 0506 + 056 jako možný zdroj neutrinové události. Fermi Large Area Telescopethen hlásil, že blazar byl ve vzplanutém stavu a emitoval mnohem více gama paprsků, než tomu bylo v minulosti. Jak se zprávy šířily, na observatoř nadšeně skočily další observatoře a následovala široká škála pozorování. Zemský dalekohled MAGIC poznamenal, že naše neutrino pocházelo z oblasti produkující velmi vysokoenergetické gama paprsky (každý asi deset miliónkrát energetičtější než rentgen), poprvé, kdy byla taková náhoda vůbec pozorována. Další optická pozorování dokončila hádanku změřením vzdálenosti k blazaru TXS 0506 + 056: asi čtyři miliardy světelných let od Země.
Díky vůbec první identifikaci kosmického zdroje vysokoenergetických neutrin, vyrostla nová větev na stromě astronomie. Protože astronomie vysokoenergetických neutrinů roste s více daty, zlepšenou koordinací mezi pozorováním a citlivějšími detektory, budeme schopni mapovat neutrino sky s lepší a lepší přesností.
A očekáváme, že budou následovat vzrušující nové průlomy v našem chápání vesmíru, jako například: vyřešení století staré tajemství původu neuvěřitelně energetických kosmických paprsků; testování, zda je časoprostor sám pěnivý, s kvantovými výkyvy na velmi malých vzdálenostních stupnicích, jak předpovídají jisté teorie kvantové gravitace; a přesně zjistit, jak se kosmickým urychlovačům, jako jsou ty kolem černé díry TXS 0506 + 056, podařilo urychlit částice na tak úžasně vysoké energie.
Po dobu 20 let měla IceCube Collaboration sen o identifikaci zdrojů vysokoenergetických kosmických neutrin - a tento sen je nyní realitou.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Doug Cowen, profesor fyziky a profesor astronomie a astrofyziky, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, spolupracovník na hranicích vědy, Columbia University
Derek Fox, docent astronomie a astrofyziky, Pennsylvania State University
