Περίπου πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, όταν ο πλανήτης Γη ήταν ακόμη στα σπάργανα, ο άξονας μιας μαύρης τρύπας περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές πιο μαζικό από τον ήλιο συνέβαινε να κατευθύνεται προς το σημείο όπου ο πλανήτης μας θα έμενε στις 22 Σεπτεμβρίου 2017.
Κατά μήκος του άξονα, ένας πίδακας υψηλής ενέργειας των σωματιδίων έστειλε φωτόνια και νετρίνα αγωνιστικά προς την κατεύθυνσή μας σε ή κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Το Αστεροσκοπείο IceCube Neutrino στο Νότιο Πόλο ανίχνευσε ένα από αυτά τα υποατομικά σωματίδια - το νετρίνο IceCube-170922A - και το ανίχνευσε πίσω σε ένα μικρό κομμάτι ουρανού στον αστερισμό του Ωρίωνα και επεσήμανε την κοσμική πηγή: μια μαύρη τρύπα φλεγόμενη μεγέθους ενός δισεκατομμυρίου ηλιοφάνειας, 3.7 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, γνωστή ως blazar TXS 0506 + 056. Οι Blazars είναι γνωστοί εδώ και καιρό. Αυτό που δεν ήταν σαφές ήταν ότι θα μπορούσαν να παράγουν νετρίνα υψηλής ενέργειας. Ακόμα πιο συναρπαστικό ήταν ότι τέτοια νετρίνα δεν είχαν βρεθεί ποτέ στην πηγή.
Η ανακάλυψη της κοσμικής πηγής νετρίνων υψηλής ενέργειας για πρώτη φορά, που ανακοινώθηκε στις 12 Ιουλίου 2018 από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, σηματοδοτεί την αυγή μιας νέας εποχής της αστρονομίας του νετρίνο. Επιδιώκοντας να ξεκινήσει από το 1976, όταν οι πρωτοπόροι φυσικοί προσπάθησαν πρώτα να κατασκευάσουν έναν ανιχνευτή νετρίνων μεγάλης κλίμακας υψηλής ενέργειας από την ακτή της Χαβάης, η ανακάλυψη του IceCube σηματοδοτεί την θριαμβευτική ολοκλήρωση μιας μακράς και δύσκολης εκστρατείας από πολλές εκατοντάδες επιστήμονες και μηχανικούς - ταυτόχρονα τη γέννηση ενός εντελώς νέου κλάδου της αστρονομίας.
Ο αστερισμός του Ωρίωνα, με ένα bullseye στη θέση του blazar. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Η ανίχνευση δύο ξεχωριστών αστρονομικών αγγελιοφόρων - νετρίνων και φωτός - είναι μια ισχυρή επίδειξη για το πώς η αποκαλούμενη πολυτροπική αστρονομία μπορεί να προσφέρει τη μόχλευση που χρειαζόμαστε για να εντοπίσουμε και να κατανοήσουμε μερικά από τα πιο ενεργητικά φαινόμενα του σύμπαντος. Από την ανακάλυψή του ως πηγή νετρίνο λιγότερο από ένα χρόνο πριν, το blazar TXS 0506 + 056 αποτέλεσε αντικείμενο εντατικής εξέτασης. Το σχετικό ρεύμα νετρίνων συνεχίζει να παρέχει βαθιά γνώση των φυσικών διεργασιών στη δουλειά κοντά στη μαύρη τρύπα και τον ισχυρό πίδακα σωματιδίων και ακτινοβολίας, που εκπέμπει σχεδόν απευθείας προς τη Γη από τη θέση της, ακριβώς έξω από τον ώμο του Ωρίωνα.
Ως τρεις επιστήμονες σε μια παγκόσμια ομάδα φυσικών και αστρονόμων που συμμετείχαν σε αυτή την αξιοθαύμαστη ανακάλυψη, μελετήσαμε να συμμετάσχουμε σε αυτό το πείραμα για την απόλυτη θάρρος του, για τη φυσική και συναισθηματική πρόκληση της εργασίας μακρών βάρδιων σε μια βίαια κρύα θέση, ευαίσθητο εξοπλισμό σε τρύπες διάτρητοι σε βάθος 2, 5 μιλίων στον πάγο και καθιστώντας το όλο το έργο. Και, φυσικά, για τη συναρπαστική ευκαιρία να γίνουν οι πρώτοι άνθρωποι που αναζητούν ένα ολοκαίνουργιο είδος τηλεσκοπίου και να δουν τι αποκαλύπτει για τους ουρανούς.
**********
Σε υψόμετρο άνω των 9.000 ποδών και με μέσες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού σπάνια σπάζοντας ένα ψυχρό -30 βαθμούς Κελσίου, ο Νότιο Πόλο μπορεί να μην σας χτυπήσει ως το ιδανικό μέρος για να κάνετε τίποτα, εκτός από την αγάπη για την επίσκεψη σε τόπο που είναι τόσο ηλιόλουστο και φωτεινό που χρειάζεστε αντηλιακό για τα ρουθούνια σας. Από την άλλη πλευρά, μόλις συνειδητοποιήσετε ότι το υψόμετρο οφείλεται σε ένα παχύ στρώμα πάγου πολύ καθαρής που έχει γίνει από αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια παρθένας χιονοπτώσεως και ότι οι χαμηλές θερμοκρασίες το έχουν κρατήσει όλα ωραία παγωμένες, τότε ίσως να μην σας εκπλήσσει ότι για το νετρίνο κατασκευαστές τηλεσκοπίων, τα επιστημονικά πλεονεκτήματα αντισταθμίζουν το περιβάλλον που απαγορεύει. Ο Νότιο Πόλο είναι τώρα ο τόπος του μεγαλύτερου ανιχνευτή νετρίνων στον κόσμο, IceCube.
Μάρτιος 2015: Το εργαστήριο IceCube στο σταθμό Amundsen-Scott South Pole, στην Ανταρκτική, φιλοξενεί τους υπολογιστές που συλλέγουν ακατέργαστα δεδομένα από τον ανιχνευτή. Λόγω των χορηγήσεων δορυφορικού εύρους ζώνης, το πρώτο επίπεδο ανασυγκρότησης και φιλτραρίσματος συμβάντων συμβαίνει σε σχεδόν πραγματικό χρόνο σε αυτό το εργαστήριο. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Μπορεί να φαίνεται περίεργο ότι χρειαζόμαστε έναν τόσο περίπλοκο ανιχνευτή δεδομένου ότι περίπου 100 δισεκατομμύρια από αυτά τα θεμελιώδη σωματίδια στέκονται δεξιά μέσα από τη μικρογραφία σας κάθε δευτερόλεπτο και γλιστρούν αβίαστα μέσω ολόκληρης της Γης χωρίς να αλληλεπιδρούν με ένα μόνο γήινο άτομο.
Στην πραγματικότητα, τα νετρίνα είναι τα δεύτερη πιο πανταχού παρόντα σωματίδια, δεύτερο μόνο στα κοσμικά μικροκυματικά υποστρώματα που έχουν απομείνει από το Big Bang. Αποτελούν το ένα τέταρτο γνωστών θεμελιωδών σωματιδίων. Ωστόσο, επειδή σχεδόν αλληλεπιδρούν με άλλα θέματα, είναι αναμφισβήτητα τα λιγότερο καλά κατανοητά.
Για να πιάσουν μια χούφτα από αυτά τα αόρατα σωματίδια και για να ανακαλύψουν τις πηγές τους, οι φυσικοί χρειάζονται ανιχνευτές μεγάλου χιλιομέτρου που είναι κατασκευασμένοι από ένα οπτικά καθαρό υλικό - όπως ο πάγος. Ευτυχώς η Μητέρα Φύση παρείχε αυτή την παρθένα πλάκα σαφούς πάγου, όπου μπορούσαμε να κατασκευάσουμε τον ανιχνευτή μας.
Το Observatory του IceCube Neutrino διαθέτει ένα όγκο περίπου ενός κυβικού χιλιομέτρου καθαρού πάγου της Ανταρκτικής με 5.160 ψηφιακές οπτικές ενότητες (DOMs) σε βάθη μεταξύ 1.450 και 2.450 μέτρων. Το παρατηρητήριο περιλαμβάνει έναν πυκνοκατάλογο υπο-ανιχνευτή, το DeepCore και μια σειρά ντους επιφανείας αέρα IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Στο Νότιο Πόλο αρκετές εκατοντάδες επιστήμονες και μηχανικοί έχουν κατασκευάσει και αναπτύξουν πάνω από 5.000 μεμονωμένους φωτοαισθητήρες σε 86 ξεχωριστές τρύπες βάθους 1, 5 μιλίων που λειώθηκαν στο πολικό πάγο με ένα τρυπάνι ζεστού νερού σχεδιασμένο κατά παραγγελία. Κατά τη διάρκεια των επτά αυστριακών καλοκαιρινών εποχών εγκαταστήσαμε όλους τους αισθητήρες. Ο πίνακας IceCube εγκαταστάθηκε πλήρως στις αρχές του 2011 και συνεχίζει να λαμβάνει δεδομένα από τότε.
Αυτή η σειρά ανιχνευτών με πάγο μπορεί να αντιληφθεί με μεγάλη ακρίβεια όταν ένα νετρίνο πετάει και αλληλεπιδρά με μερικά σωματικά σωματίδια που δημιουργούν αχνά πρότυπα γαλαζοπράσινου φως Cherenkov, που εκπέμπονται όταν τα φορτισμένα σωματίδια μετακινούνται μέσα από ένα μέσο όπως ο πάγος κοντά στην ταχύτητα του φωτός.
**********
Η φτέρνα των ανιχνευτών νετρίνων του Αχίλλειου είναι ότι άλλα σωματίδια, τα οποία προέρχονται από την κοντινή ατμόσφαιρα, μπορούν επίσης να προκαλέσουν αυτά τα σχέδια με γαλαζοπράσινο φως του Cherenkov. Για την εξάλειψη αυτών των ψευδών σημάτων, οι ανιχνευτές θάβονται βαθιά στον πάγο για να φιλτράρουν τις παρεμβολές πριν φτάσουν στον ευαίσθητο ανιχνευτή. Αλλά παρά το γεγονός ότι βρίσκεται κάτω από σχεδόν ένα μίλι από στερεό πάγο, το IceCube εξακολουθεί να αντιμετωπίζει μια επίθεση περίπου 2.500 τέτοιων σωματιδίων κάθε δευτερόλεπτο, καθένα από τα οποία θα μπορούσε να οφείλεται ευλόγως σε ένα νετρίνο.
Με τον αναμενόμενο ρυθμό ενδιαφέρουσες, πραγματικές αστροφυσικές αλληλεπιδράσεις νετρίνων (όπως οι εισερχόμενες νετρίνοι από μια μαύρη τρύπα) που αιωρούνται σε περίπου ένα το μήνα, βρισκόμασταν αντιμέτωποι με ένα τρομακτικό πρόβλημα με τη βελόνα-σε-άχυρο.
Η στρατηγική του IceCube είναι να δούμε μόνο γεγονότα με τέτοια υψηλή ενέργεια που είναι εξαιρετικά απίθανο να είναι ατμοσφαιρικής προέλευσης. Με αυτά τα κριτήρια επιλογής και αρκετά χρόνια δεδομένων, το IceCube ανακάλυψε τα αστροφυσικά νετρίνα που είχε αναζητήσει από καιρό, αλλά δεν μπόρεσε να εντοπίσει μεμονωμένες πηγές - όπως ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες ή εκρήξεις ακτίνων γάμμα - ανάμεσα στις δεκάδες υψηλής ενέργειας νετρίνα που είχε συλλάβει.
Για να πειράξει τις πραγματικές πηγές, το IceCube άρχισε να διανέμει προειδοποιήσεις για την άφιξη του νετρίνα τον Απρίλιο του 2016 με τη βοήθεια του Astrophysical Multimessenger Network Observatory Network στο Penn State. Κατά τη διάρκεια των επόμενων 16 μηνών, οι 11 ειδοποιήσεις για το νετρίνο IceCube-AMON διανεμήθηκαν μέσω του AMON και του Δικτύου Συντονισμών Gamma-ray, λίγα μόνο λεπτά ή δευτερόλεπτα μετά την ανίχνευσή τους στο Νότιο Πόλο.
Στις 22 Σεπτεμβρίου 2017, το IceCube ειδοποίησε τη διεθνή κοινότητα αστρονομίας για την ανίχνευση ενός νετρίνου υψηλής ενέργειας. Περίπου 20 παρατηρητήρια στη Γη και στο διάστημα έκαναν παρατηρήσεις παρακολούθησης, οι οποίες επέτρεψαν την ταυτοποίηση του τι πιστεύουν οι επιστήμονες ως μια πηγή πολύ υψηλών ενεργειακών νετρίνων και, συνεπώς, κοσμικών ακτίνων. Εκτός από τα νετρίνα, οι παρατηρήσεις που έγιναν σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιελάμβαναν ακτίνες γ, ακτίνες Χ και οπτική και ραδιοφωνική ακτινοβολία. Αυτά τα παρατηρητήρια διοικούνται από διεθνείς ομάδες με περισσότερους από 1.000 επιστήμονες που υποστηρίζονται από οργανισμούς χρηματοδότησης σε χώρες του κόσμου. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Οι ειδοποιήσεις ενεργοποίησαν μια αυτοματοποιημένη ακολουθία ακτίνων Χ και υπεριωδών παρατηρήσεων με το παρατηρητήριο Neil Gehrels Swift της NASA και οδήγησαν σε περαιτέρω μελέτες με το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gamma-Ray της NASA και τη σειρά πυρηνικών φασματοσκοπικών οπτικών ινών και 13 άλλα παρατηρητήρια σε όλο τον κόσμο.
Το Swift ήταν η πρώτη δυνατότητα για τον εντοπισμό του φλεγόμενου blazar TXS 0506 + 056 ως πιθανή πηγή του συμβάντος του νετρίνο. Το Fermi Large Area Telescopethen ανέφερε ότι το blazar ήταν σε κατάσταση φωτιάς, που εκπέμπει πολύ περισσότερες ακτίνες γάμμα από ό, τι είχε στο παρελθόν. Καθώς οι ειδήσεις εξαπλώθηκαν, άλλα παρατηρητήρια πήδηξαν με ενθουσιασμό στο κλασσικό κύμα και ακολούθησε ευρύ φάσμα παρατηρήσεων. Το τηλεσκόπιο εδάφους MAGIC σημείωσε ότι το νετρίνο μας προέρχεται από μια περιοχή που παράγει πολύ υψηλής ενέργειας ακτινοβολίες γάμμα (περίπου δέκα εκατομμύρια φορές πιο ενεργητική από μια ακτινογραφία), την πρώτη φορά που παρατηρήθηκε μια τέτοια σύμπτωση. Άλλες οπτικές παρατηρήσεις συμπλήρωσαν το παζλ μετρώντας την απόσταση στο blazar TXS 0506 + 056: περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη.
Με την πρώτη αναγνώριση μιας κοσμικής πηγής νετρίνων υψηλής ενέργειας, ένας νέος κλάδος στο δέντρο αστρονομίας έχει βλαστήσει. Καθώς η αστρονομία νετρίνων υψηλής ενέργειας μεγαλώνει με περισσότερα δεδομένα, βελτιωμένο συντονισμό μεταξύ των παρατηρητηρίων και πιο ευαίσθητους ανιχνευτές, θα μπορέσουμε να χαρτογραφήσουμε τον ουρανό του νετρίνου με καλύτερη και καλύτερη ακρίβεια.
Και αναμένουμε συναρπαστικές νέες ανακαλύψεις στην αντίληψή μας για το σύμπαν να ακολουθήσουμε το παράδειγμα, όπως: η επίλυση του αιώνα-παλαιού μυστηρίου της προέλευσης των εκπληκτικά ενεργών κοσμικών ακτίνων. δοκιμάζοντας αν ο χωροχρόνος είναι αφρώδης, με κβαντικές διακυμάνσεις σε πολύ μικρές κλίμακες απόστασης, όπως προβλέπουν ορισμένες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας. και να υπολογίσουμε με ακρίβεια πώς οι κοσμικοί επιταχυντές, όπως αυτοί που βρίσκονται γύρω από την μαύρη τρύπα TXS 0506 + 056, καταφέρνουν να επιταχύνουν τα σωματίδια σε τέτοιες εκπληκτικά υψηλές ενέργειες.
Για 20 χρόνια, η συνεργασία IceCube είχε ένα όνειρο να εντοπίσει τις πηγές των κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας - και αυτό το όνειρο είναι τώρα πραγματικότητα.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Doug Cowen, Καθηγητής Φυσικής και Καθηγητής Αστρονομίας & Αστροφυσικής, Πανεπιστήμιο Pennsylvania
Azadeh Keivani, Σύμβουλοι Φυσικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κολούμπια
Derek Fox, Αναπληρωτής Καθηγητής Αστρονομίας και Αστροφυσικής, Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας
