Površinski objekt za poskus IceCube, ki leži na skoraj 1 milji (1,6 kilometra) ledu na Antarktiki. IceCube pravi, da grozni nevtrini ne obstajajo, vendar nov eksperiment pravi, da je tako.
(Slika: © Courtesy of IceCube Neutrino Observatory)
Na ledeni puščavi Antarktike sedi ogromen detektor delcev, Neutrino observatorij IceCube. Toda iskanje površine instrumenta se bo izkazalo težko, saj je glavnina opazovalnice ujeta pod ledom. Mednarodni observatorij lovi nevtrine - neomejene, neomejene delce, ki skoraj nikoli ne vplivajo na materijo. Zdaj lahko njene pripombe razrešijo eno največjih skrivnosti v astronomiji in bodo odgovorile na vprašanja o izvoru nevtrinov in kozmičnih žarkov.
Največji od vseh
Nevtrinski observatorij IceCube obsega en kubični kilometer v bližini Južnega pola. Instrument pokriva kvadratni kilometer površine in sega vse do 1500 metrov globoko. Je prvi detektor gigatonskih nevtrinov, ki je bil kdajkoli zgrajen.
Medtem ko fotografije IceCube pogosto prikazujejo stavbo, ki sedi na zasneženi površini, je resnično opravljeno spodaj. Večnamenski eksperiment vključuje površinski niz, IceTop, niz 81 postaj, ki sedijo nad strunami. IceTop služi kot kalibracijski detektor za IceCube, pa tudi zaznavanje zračnih tušev iz primarnih kozmičnih žarkov ter njihovega toka in sestave.
Gosti notranji poddetektor, DeepCore, je moč eksperimenta IceCube. Vsaka postaja IceTop je sestavljena iz strun, pritrjenih na digitalne optične module (DOM), ki so nameščeni na šesterokotno mrežo, oddaljeno 125 m (4 m). Vsaka vrvica vsebuje 60 DOM-ov v košarki. Tu, globoko v ledu, je IceCube sposoben loviti nevtrine, ki prihajajo od sonca, znotraj Mlečne poti in zunaj galaksije. Ti srhljivi delci so povezani s kozmičnimi žarki, najvišjimi energijskimi delci, ki so jih kdaj opazili.
[Povezani: Sledenje nevtrinu do izvira: Odkritje v slikah]
Skrivnostni delci
Kozmični žarki so bili prvič odkriti leta 1912. Močni sunki sevanja trčijo v Zemljo nenehno in pritekajo iz vseh delov galaksije. Znanstveniki so izračunali, da se morajo nabiti delci oblikovati v nekaterih najbolj nasilnih in najmanj razumljivih predmetih in dogodkih v vesolju. Eksplozivna zvezdna smrt zvezde, supernove, zagotavlja en način ustvarjanja kozmičnih žarkov; aktivne črne luknje v središču galaksij še eno.
Ker so kozmični žarki sestavljeni iz nabitih delcev, pa ti vplivajo na magnetna polja zvezd in druge predmete, ki jih gredo mimo. Polja se prekrivajo in premikajo pot kozmičnih žarkov, zaradi česar jih znanstveniki ne morejo izslediti do izvora.
Tu nastopijo nevtrini. Tako kot kozmični žarki naj bi se z nasiljem oblikovali delci z nizko maso. A ker nevtrini nimajo naboja, gredo mimo magnetnih polj, ne da bi spremenili svojo pot, potujejo po ravni črti od svojega vira.
"Zaradi tega je iskanje virov kozmičnih žarkov postalo tudi iskanje zelo visokoenergetskih nevtrinov," so zapisali na spletni strani IceCube.
Vendar iste lastnosti, zaradi katerih so nevtrini tako dobri glasniki, pomenijo, da jih je težko zaznati. Vsako sekundo približno 100 milijard nevtrinov preide skozi en kvadratni centimeter vašega telesa. Večina jih izvira iz sonca in niso dovolj energijska, da bi jih lahko prepoznala IceCube, nekatere pa so verjetno nastale zunaj Mlečne poti.
Za opazovanje nevtrinov je potrebna uporaba zelo bistrega materiala, kot sta voda ali led. Ko en sam nevtrino vdre v proton ali nevtron znotraj atoma, nastala jedrska reakcija povzroči sekundarne delce, ki oddajajo modro svetlobo, znano kot Čerenkovo sevanje.
"Nevtrini, ki jih zaznamo, so kot prstni odtisi, ki nam pomagajo razumeti predmete in pojave, kjer nastajajo nevtrini," pravijo v ekipi IceCube.
Hudi pogoji
Južni pol morda ni vesolje, a prinaša svoje izzive. Inženirji so začeli graditi na IceCube leta 2004, sedemletni projekt, ki je bil končan po načrtu leta 2010. Gradnja je lahko potekala le nekaj mesecev vsako leto, poleti na južni polobli, ki se dogaja od novembra do februarja.
Dolgočasnih 86 lukenj je zahtevalo posebno vrsto vrtanja - dve pravzaprav. Prvi je napredoval skozi jelko, plast strnjenega snega, na približno 164 čevljev (50 metrov). Nato se je visokotlačni vrtalnik za toplo vodo stopil skozi led s hitrostjo približno 2 metra (6,5 čevljev) na minuto, vse do globine 2450 metrov (8,038 čevljev ali 1,5 milje).
"Skupaj sta bila oba svedra sposobna dosledno izdelati skoraj popolne navpične luknje, pripravljene za vgradnjo instrumentov s hitrostjo ene luknje na vsaka dva dni," pravijo v IceCubeu.
Strune je bilo nato treba hitro namestiti v stopljeno vodo, preden se je led zmrznil. Zamrzovanje je trajalo nekaj tednov za stabilizacijo, nato pa so instrumenti ostali nedotakljivi, trajno zamrznjeni v ledu in jih ni bilo mogoče popraviti. Stopnja odpovedi instrumentov je bila zelo počasna, saj je manj kot 100 od 5.500 senzorjev, ki trenutno ne delujejo.
IceCube je začel opazovati že od samega začetka, tudi ko so uvajali druge strune.
Ko se je projekt prvič začel, raziskovalcem ni bilo jasno, kako daleč bo svetloba potovala po ledu, pravi Halzen. Z dobro razpoložljivimi informacijami sodelovanje deluje v smeri IceCube-Gen2. Nadgrajeni observatorij bi dodal približno 80 več detektorskih strun, medtem ko bo razumevanje lastnosti ledu raziskovalcem omogočilo širitev senzorjev narazen kot njihove prvotne konzervativne ocene. IceCube-Gen2 bi moral podvojiti velikost opazovalnice za približno enake stroške.
Neverjetna znanost
IceCube je začel loviti nevtrine, še preden je bil končan, kar je na poti prineslo več zanimivih znanstvenih rezultatov.
Med majem 2010 in majem 2012 je IceCube opazil 28 zelo energijskih delcev. Halzen je sposobnost detektorja, da opazuje te ekstremne dogodke, pripisal dokončanju detektorja.
"To je prvi pokazatelj zelo visokoenergijskih nevtrinov, ki prihajajo izven našega osončja, z energijo več kot milijonkrat večjo od tiste, ki smo jo opazili leta 1987 v povezavi s supernovo, ki je bila opažena v velikem magellanskem oblaku," pravi Halzen v izjavi. "Razveseljivo je, da končno vidimo tisto, kar smo iskali. To je zore nove dobe astronomije."
Aprila 2012 so po junakih iz otroške televizijske oddaje "Ulica sezama" odkrili par visokoenergetskih nevtrinov in ga poimenovali Bert in Ernie. Z energijo nad 1 petaelektronvolt (PeV) so bili prvi dokončno odkriti nevtrini zunaj osončja od supernove leta 1987.
"To je velik preboj," je dejal Uli Katz, fizik delcev na univerzi Erlangen-Nuremberg v Nemčiji, ki ni bil vključen v raziskave. "Mislim, da gre za eno največjih odkritij v fiziki astro-delcev," je Katz povedal za Space.com.
Zaradi teh opažanj je IceCube prejel preboj leta Physics World 2013.
Še en večji izplačilo je prišlo 4. decembra 2012, ko je observatorij zaznal dogodek, ki so ga znanstveniki poimenovali Big Bird, tudi s "Sezamove ulice." Big Bird je bil nevtrino z energijo, ki presega 2 kvadratnih milijard elektronov voltov, več kot milijon milijonov krat večjo od energije zobnega rentgena, zbranega v en sam delček z manj kot milijonsko maso elektrona. Takrat je bil to največ nevtrino energije, ki je bil kdajkoli odkrit; od leta 2018 se še vedno uvršča na drugo mesto.
Znanstveniki so s pomočjo Nasinega vesoljskega teleskopa Fermi Gamma-ray vesolje povezali Big Bird z zelo energičnim izbruhom blazarja, znanega kot PKS B1424-418. Blažare napajajo supermasivne črne luknje v središču galaksije. Ko črna luknja spušča material, se del materiala preusmeri v curke, ki prenašajo toliko energije, da zasenčijo zvezde v galaksiji. Letala pospešujejo materijo in ustvarjajo nevtrine in delce atomov, ki ustvarjajo nekaj kozmičnih žarkov.
Od poletja 2012 je blazar v gama žarkih zasijal med 15 in 30-krat svetlejšim od povprečja pred izbruhom. Dolgoročni program opazovanja z imenom TANAMI, ki je rutinsko spremljal skoraj 100 aktivnih galaksij na južnem nebu, je razkril, da se je jedro curka galaksije med letoma 2011 in 2013 kar štirikrat posvetlilo.
"Nobena druga naša galaksija, ki jo je TANAMI opazil v celotnem življenjskem obdobju programa, ni doživela tako dramatične spremembe," je v izjavi za leto 2016 izjavil Eduardo Ros iz Inštituta Max Planck za radio astronomijo (MPIfR) v Nemčiji. Ekipa je izračunala, da sta bila oba dogodka povezana.
"Ob upoštevanju vseh opažanj se zdi, da je blazar imel sredstva, motiv in priložnost, da izstreli nevtrino Velike ptice, zaradi česar je naš glavni osumljenec," je dejal Matthias Kadler, profesor astrofizike na univerzi v Würzburgu Nemčija. "
IceCube je julija 2018 sporočil, da je prvič sledil nevtrinom nazaj v izvorni blazar. Septembra 2017 so po zaslugi na novo nameščenega sistema opozoril, ki se je oddajal znanstvenikom po vsem svetu v nekaj minutah od zaznavanja močnega nevtinskega kandidata, raziskovalci lahko hitro teleskope usmerili v smer, v katerem izvira novi signal. Fermi je raziskovalce opozoril na prisotnost aktivnega blazarja, znanega kot TXS-0506 + 056, na istem delu neba. Nova opažanja so potrdila, da je blazar gorel, oddajal je svetlejše kot običajno navade energije.
TXS je večinoma tipičen blazer; je eden izmed 100 najsvetlejših blazarjev, ki jih je odkril Fermi. Medtem ko je 99 drugih tudi svetlo, niso nevtrosi vrgli proti IceCubeu. V zadnjih mesecih je TXS zasijal, posvetlil in zatemnil kar stokrat močneje kot prejšnja leta.
"S sledenjem visokoenergijskemu nevtrinu, ki ga je IceCube zaznal nazaj do TXS 0506 + 056, je to prvič, da smo lahko določili določen objekt kot verjeten vir takega visokoenergijskega nevtrina," Gregory Sivakoff z univerze Alberte v Kanadi, je zapisano v izjavi.
IceCube še ni končan. Novi sistem opozarjanja bo v prihodnjih letih astronomi držal na nogah. Načrtovana življenjska doba opazovalnice je 20 let, tako da je vsaj še desetletje neverjetnih odkritij, ki prihajajo iz observatorija Južni pol.
