Преди около четири милиарда години, когато планетата Земя все още беше в начален стадий, оста на черна дупка, около един милиард пъти по-масивна от слънцето, се оказа точно на мястото, където нашата планета ще бъде на 22 септември 2017 г.
По протежение на оста високоенергийна струя от частици изпраща фотони и неутрино, които се движат в нашата посока със или близо до скоростта на светлината. Нейтрино обсерваторията IceCube на Южния полюс откри една от тези субатомни частици - неутрино IceCube-170922A - и я проследи обратно до малък пластир на небето в съзвездието Орион и определи космическия източник: пламтяща черна дупка с размер милиард слънце, на 3, 7 милиарда светлинни години от Земята, известен като blazar TXS 0506 + 056. Блазарите са известни от известно време. Не беше ясно, че те могат да произвеждат високоенергийни неутрино. Още по-вълнуващо беше, че такива неутрино никога досега не са били проследявани до източника му.
Намирането на космическия източник на високоенергийни неутрино за първи път, обявено на 12 юли 2018 г. от Националната научна фондация, бележи зората на нова ера на неутрино астрономията. Преследван от пристъпи и започва от 1976 г., когато пионерите физици за първи път се опитват да построят мащабен високоенергиен детектор за неутрино край хавайския бряг, откритието на IceCube отбелязва триумфалното приключване на дълга и трудна кампания на много стотици учени и инженери - и едновременно раждане на напълно нов клон на астрономията.
Съзвездието Орион, с бичево око на местоположението на блазара. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communication, CC BY-ND) Откриването на два различни астрономически пратеника - неутрино и светлина - е мощна демонстрация за това как т. Нар. Мултисайдърска астрономия може да осигури лоста, от който се нуждаем, за да идентифицираме и разберем някои от най-енергийните явления във Вселената. От откриването си като източник на неутрино преди по-малко от година, blazar TXS 0506 + 056 е обект на интензивен контрол. Асоциираният му поток от неутрино продължава да предоставя задълбочен поглед върху физическите процеси по време на работа в близост до черната дупка и нейната мощна струя от частици и радиация, излъчваща се почти директно към Земята от нейното местоположение точно от рамото на Орион.
Тъй като трима учени от глобален екип от физици и астрономи, участващи в това забележително откритие, бяхме привлечени да участваме в този експеримент заради неговата чистота, за физическото и емоционалното предизвикателство да работим на дълги смени в брутално студено място, докато вмъкваме скъпо, чувствително оборудване в дупки, пробити на 1, 5 мили дълбочина в леда и за да може всичко да работи. И, разбира се, за вълнуващата възможност да бъдат първите хора, надникнали в съвсем нов вид телескоп и да видят какво разкрива за небесата.
**********
На надморска височина над 9 000 фута и със средни летни температури рядко пречупват фригидни -30 градуса по Целзий, Южният полюс може да не ви удари като идеалното място да направите каквото и да е, освен да се хвалите за посещение на място, което е толкова слънчево и светло, имате нужда от слънцезащитен екран за ноздрите. От друга страна, след като разберете, че надморската височина се дължи на гъста козина от свръхчист лед, направена от няколкостотин хиляди години от девствен снеговалеж и че ниските температури са запазили всичко хубаво замръзнало, тогава може да не ви изненада, че за неутрино телескопи строители, научните предимства превишават забраняващата среда. Южният полюс вече е дом на най-големия детектор за неутрино в света - IceCube.
Март 2015 г.: Лабораторията IceCube на станцията на южния полюс Amundsen-Scott в Антарктида е домакин на компютрите, които събират необработени данни от детектора. Поради разпределението на честотната лента на сателита, първото ниво на реконструкция и филтриране на събития се случва в почти реално време в тази лаборатория. (Ерик Бейзер, IceCube / NSF) Може да изглежда странно, че се нуждаем от толкова сложен детектор, като се има предвид, че около 100 милиарда от тези основни частици сашайте право през вашата миниатюра всяка секунда и безпроблемно се плъзгате по цялата Земя, без да взаимодействате с нито един земен атом.
Всъщност неутрино са вторите най-повсеместни частици, отстъпващи само на космическите фотони на фона на микровълните, останали от Големия взрив. Те съдържат една четвърт от известните основни частици. И тъй като те почти не си взаимодействат с друга материя, те могат да бъдат най-малко разбирани.
За да хванат шепа от тези неуловими частици и да открият източниците им, физиците се нуждаят от големи километри - детектори, направени от оптично чист материал - като лед. За щастие Майката Природа предостави тази девствена плоча от бистър лед, където можем да изградим нашия детектор.
Лекарствената обсерватория IceCube Neutrino осигурява обем от около един кубичен километър чист антарктически лед с 5160 цифрови оптични модула (DOM) на дълбочина между 1450 и 2450 метра. Обсерваторията включва плътно инструментален поддетектор, DeepCore, и масив за повърхностен въздух, IceTop. (Фелипе Педророс, IceCube / NSF) На Южния полюс няколкостотин учени и инженери са конструирали и разполагали над 5000 индивидуални фотосензора в 86 отделни 1, 5 мили дълбоки дупки, разтопени в полярната ледена шапка с помощта на специално проектирана тренировка за гореща вода. В продължение на седем австралийски летни сезона инсталирахме всички сензори. Масивът IceCube бе напълно инсталиран в началото на 2011 г. и оттогава непрекъснато приема данни.
Този масив от свързани с лед детектори може да усети с голяма точност, когато неутрино прелита и взаимодейства с няколко земни частици, които генерират тъмни шарки на синкавата черенковска светлина, излъчвани, когато заредените частици се движат през среда като лед с близка до светлинна скорост.
**********
Ахилесовата пета на неутрино детектори е, че други частици, произхождащи от близката атмосфера, също могат да задействат тези модели на синкава черенковска светлина. За да елиминират тези фалшиви сигнали, детекторите са погребани дълбоко в леда, за да филтрират смущения, преди да могат да достигнат до чувствителния детектор. Но въпреки че е под почти миля от твърд лед, IceCube все още се сблъсква с натиск от около 2500 такива частици всяка секунда, всяка от които вероятно би се дължи на неутрино.
С очаквания темп на интересни, истински астрофизични неутрино взаимодействия (като входящи неутрино от черна дупка), които се носят около един на месец, бяхме изправени пред страшен проблем с игла в сено.
Стратегията на IceCube е да гледа само на събития с толкова висока енергия, че е много малко вероятно да имат атмосферен произход. С тези критерии за подбор и няколко години данни IceCube откри астрофизичните неутрино, които отдавна търси, но не успя да идентифицира никакви отделни източници - като активни галактични ядра или гама-лъчи, сред няколкото десетки високоенергийни неутрино бяха пленени.
За да дразни действителните източници, през април 2016 г. IceCube започна да разпространява сигнали за пристигане на неутрино с помощта на мрежата за наблюдение на астрофизичните мултисайдъри в щата Пен. През следващите 16 месеца 11 AMC IceCube-AMON неутрино сигнали бяха разпространени чрез AMON и мрежата за координати на гама-лъчи, само минути или секунди след откриването им на Южния полюс.
На 22 септември 2017 г. IceCube алармира международната астрономическа общност за откриването на високоенергийно неутрино. Около 20 обсерватории на Земята и в Космоса направиха последващи наблюдения, които позволиха да се идентифицира онова, което учените смятат за източник на много високоенергийни неутрино и следователно на космически лъчи. Освен неутрино, наблюденията в електромагнитния спектър включват гама-лъчи, рентгенови лъчи и оптично и радио излъчване. Тези обсерватории се ръководят от международни екипи с общо над 1000 учени, подкрепени от финансиращи агенции в страни по света. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Предупрежденията задействаха автоматизирана последователност от рентгенови и ултравиолетови наблюдения с обсерваторията Нийл Герелс Суифт и доведоха до допълнителни проучвания с космическия телескоп Ферми Гама-Рей и Ядрен спектроскопски телескоп и 13 други обсерватории по света.
Swift беше първото съоръжение, което идентифицира изгарящия блазър TXS 0506 + 056 като възможен източник на неутрино събитието. Телескопетена с големи площи на Ферми съобщи, че блазарът е в пламтящо състояние, излъчвайки много повече гама-лъчи, отколкото в миналото. Тъй като новината се разпространи, други обсерватории с ентусиазъм скочиха по лентата и възникна широк спектър от наблюдения. Наземният телескоп MAGIC отбеляза, че нашето неутрино идва от регион, произвеждащ много високоенергийни гама-лъчи (всеки около десет милиона пъти по-енергичен от рентген), за първи път подобно съвпадение е било наблюдавано някога. Други оптични наблюдения завършиха пъзела чрез измерване на разстоянието до блазар TXS 0506 + 056: на около четири милиарда светлинни години от Земята.
С първата в историята идентификация на космически източник на високоенергийни неутрино се появи нов клон на дървото на астрономията. Тъй като високоенергийната неутрино астрономия расте с повече данни, подобрена координация между наблюденията и по-чувствителни детектори, ще можем да картографираме небето на неутрино с по-добра и по-добра точност.
И очакваме нови вълнуващи пробиви в нашето разбиране за Вселената, които да следват примера, като например: разрешаване на вековната мистерия за произхода на изумително енергийните космически лъчи; тестване дали самото космическо време е пенесто, с квантови колебания при много малки разстояния, както е предвидено от някои теории на квантовата гравитация; и да разберем как точно космическите ускорители, като тези около черната дупка на TXS 0506 + 056, успяват да ускорят частиците до такива невероятно високи енергии.
В продължение на 20 години в колаборацията на IceCube имаше мечта да идентифицира източниците на високоенергийни космически неутрино - и тази мечта вече е реалност.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Дъг Коуен, професор по физика и професор по астрономия и астрофизика, Държавен университет в Пенсилвания
Azadeh Keivani, научен сътрудник по граници, Университет Колумбия
Дерек Фокс, доцент по астрономия и астрофизика, Държавен университет в Пенсилвания
