Σε αυτήν την καλλιτεχνική απόδοση, ένα σακάκι επιταχύνει πρωτόνια που παράγουν πιόνια, που παράγουν νετρίνα και ακτίνες γάμμα. Τα νετρίνα είναι πάντα το αποτέλεσμα μιας αδρονικής αντίδρασης, όπως αυτή που εμφανίζεται εδώ. Οι ακτίνες γάμμα μπορούν να παραχθούν σε αδρονικές και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. (ICECUBE / NASA)

Ένα κοσμικό πρώτο: Βρέθηκαν νετρίνα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας, από τους γαλαξίες που καίγονται σε όλο το σύμπαν

Το 1987, εντοπίσαμε νετρίνα από έναν άλλο γαλαξία σε μια σουπερνόβα. Μετά από 30 χρόνια αναμονής, βρήκαμε κάτι ακόμα καλύτερο.

Ένα από τα μεγάλα μυστήρια της επιστήμης είναι να καθορίζει όχι μόνο τι είναι εκεί έξω, αλλά τι δημιουργεί τα σήματα που εντοπίζουμε εδώ στη Γη. Για περισσότερο από έναν αιώνα, γνωρίζαμε ότι το πέρασμα από το Σύμπαν είναι κοσμικές ακτίνες: σωματίδια υψηλής ενέργειας που προέρχονται από πολύ πέρα ​​από το γαλαξία μας Ενώ έχουν εντοπιστεί ορισμένες πηγές για αυτά τα σωματίδια, η συντριπτική πλειοψηφία αυτών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι πιο ενεργητικά, παραμένουν μυστήριο.

Από σήμερα, όλα αυτά έχουν αλλάξει. Η συνεργασία του IceCube, στις 22 Σεπτεμβρίου 2017, εντόπισε ένα νετρίνο εξαιρετικά υψηλής ενέργειας που έφτασε στο Νότιο Πόλο και κατάφερε να εντοπίσει την πηγή του. Όταν μια σειρά από τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα εξέτασαν την ίδια θέση, όχι μόνο είδαν ένα σήμα, αλλά εντόπισαν ένα σακάκι, το οποίο έτυχε να φλεγεί εκείνη τη στιγμή. Επιτέλους, η ανθρωπότητα ανακάλυψε τουλάχιστον μία πηγή που δημιουργεί αυτά τα εξαιρετικά ενεργητικά κοσμικά σωματίδια.

Όταν οι μαύρες τρύπες τροφοδοτούν την ύλη, δημιουργούν έναν δίσκο προσαύξησης και έναν διπολικό πίδακα κάθετα σε αυτόν. Όταν ένα τζετ από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα μας δείχνει, το ονομάζουμε είτε ως αντικείμενο BL Lacertae είτε ως blazar. Τώρα θεωρείται ότι αποτελεί σημαντική πηγή τόσο των κοσμικών ακτίνων όσο και των νετρίνων υψηλής ενέργειας. (NASA / JPL)

Το Σύμπαν, παντού κοιτάζουμε, είναι γεμάτο πράγματα για να δούμε και να αλληλεπιδράσουμε. Η ύλη συγκεντρώνεται σε γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες, ακόμη και σε ανθρώπους. Η ακτινοβολία ρέει μέσω του Σύμπαντος, καλύπτοντας το σύνολο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Και σε κάθε κυβικό εκατοστό του χώρου, μπορούν να βρεθούν εκατοντάδες φάντασμα, μικροσκοπικά σωματίδια γνωστά ως νετρίνα.

Τουλάχιστον, θα μπορούσαν να βρεθούν, αν αλληλεπιδρούσαν με οποιαδήποτε αξιόλογη συχνότητα με την κανονική ύλη ξέρουμε πώς να χειριστούμε. Αντ 'αυτού, ένα νετρίνο θα έπρεπε να περάσει από ένα ελαφρύ έτος μολύβδου για να έχει ένα πυροβολισμό 50/50 να συγκρούεται με ένα σωματίδιο εκεί. Για δεκαετίες μετά την πρότασή του το 1930, δεν καταφέραμε να εντοπίσουμε το νετρίνο.

Πυρηνικός πειραματικός αντιδραστήρας RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, που δείχνει τη χαρακτηριστική ακτινοβολία Cherenkov από τα σωματίδια που εκπέμπονται ταχύτερα από το φως στο νερό. Τα νετρίνα (ή ακριβέστερα, αντινετρίνα) που υπέθεσαν για πρώτη φορά ο Pauli το 1930 εντοπίστηκαν από έναν παρόμοιο πυρηνικό αντιδραστήρα το 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Το 1956, τους εντοπίσαμε αρχικά με τη δημιουργία ανιχνευτών ακριβώς έξω από πυρηνικούς αντιδραστήρες, λίγα μόλις μέτρα μακριά από το σημείο παραγωγής των νετρίνων. Στη δεκαετία του 1960, κατασκευάσαμε αρκετά μεγάλους ανιχνευτές - υπόγεια, προστατευμένοι από άλλα μολυσματικά σωματίδια - για να βρούμε τα νετρίνα που παράγονται από τον Ήλιο και από συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα.

Τότε, το 1987, μόνο η συντροφιά μας έδωσε μια σουπερνόβα τόσο κοντά στο σπίτι που μπορούσαμε να εντοπίσουμε νετρίνα από αυτό. Τα πειράματα που διεξήχθησαν για εντελώς άσχετους σκοπούς ανίχνευσαν τα νετρίνα από το SN 1987A, εισάγοντας την εποχή της αστρονομίας πολλαπλών αγγελιοφόρων. Ο Νετρίνος, όσο μπορούμε να πούμε, ταξίδεψε πέρα ​​από το Σύμπαν σε ενέργειες που δεν ξεχωρίζουν από την ταχύτητα του φωτός.

Το κατάλοιπο της σουπερνόβα 1987a, που βρίσκεται στο Μεγάλο Μαγγελάνικο Σύννεφο περίπου 165.000 έτη φωτός μακριά. Το γεγονός ότι τα νετρίνα έφτασαν λίγες ώρες πριν από το πρώτο σήμα φωτός μάς έμαθε περισσότερα για τη διάρκεια που χρειάζεται το φως για να διαδοθεί μέσω των στρωμάτων ενός αστεριού από ένα αστέρι από ό, τι έκανε για την ταχύτητα που ταξιδεύουν τα νετρίνα, η οποία δεν ήταν διακριτή από την ταχύτητα του φωτός. Τα νετρίνα, το φως και η βαρύτητα φαίνεται να ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα τώρα. (NOEL CARBONI & THE ESA / ESO / NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR)

Για περίπου 30 χρόνια, τα νετρίνα από αυτό το σουπερνόβα ήταν τα μόνα νετρίνα που είχαμε επιβεβαιώσει ότι ήταν έξω από το δικό μας Ηλιακό Σύστημα, πολύ λιγότερο τον οικιακό γαλαξία μας. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν λάβαμε πιο μακρινά νετρίνα. απλώς σήμαινε ότι δεν μπορούσαμε να τα αναγνωρίσουμε δυνατά με οποιαδήποτε γνωστή πηγή στον ουρανό. Αν και τα νετρίνα αλληλεπιδρούν μόνο πολύ αδύναμα με την ύλη, είναι πιο πιθανό να αλληλεπιδράσουν εάν έχουν υψηλότερη ενέργεια.

Εκεί μπαίνει το παρατηρητήριο νετρίνων του IceCube.

Το Παρατηρητήριο IceCube, το πρώτο παρατηρητήριο νετρίνων του είδους του, έχει σχεδιαστεί για να παρατηρεί αυτά τα αόριστα σωματίδια υψηλής ενέργειας από κάτω από τον πάγο της Ανταρκτικής. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Βαθιά μέσα στον πάγο του Νότιου Πόλου, το IceCube περικλείει ένα κυβικό χιλιόμετρο στερεού υλικού, αναζητώντας αυτά τα σχεδόν μαζικά νετρίνα. Όταν τα νετρίνα περνούν μέσα από τη Γη, υπάρχει πιθανότητα αλληλεπίδρασης με ένα σωματίδιο εκεί. Μια αλληλεπίδραση θα οδηγήσει σε ένα ντους σωματιδίων, τα οποία θα πρέπει να αφήνουν αναμφισβήτητα υπογραφές στον ανιχνευτή.

Σε αυτήν την απεικόνιση, ένα νετρίνο έχει αλληλεπιδράσει με ένα μόριο πάγου, παράγοντας ένα δευτερεύον σωματίδιο - ένα μιόνιο - που κινείται με σχετικιστική ταχύτητα στον πάγο, αφήνοντας ένα ίχνος μπλε φωτός πίσω του. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Στα έξι χρόνια που λειτουργεί το IceCube, έχουν εντοπίσει περισσότερα από 80 κοσμικά νετρίνα υψηλής ενέργειας με ενέργειες πάνω από 100 TeV: περισσότερες από δέκα φορές τις υψηλότερες ενέργειες που επιτυγχάνονται από οποιαδήποτε σωματίδια στον LHC. Μερικοί από αυτούς έχουν ακόμη κοπεί με την κλίμακα PeV, επιτυγχάνοντας ενέργειες χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από ό, τι χρειάζεται για να δημιουργήσουν ακόμη και τα βαρύτερα από τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια.

Ωστόσο, παρά όλα αυτά τα νετρίνα κοσμικής προέλευσης που έχουν φτάσει στη Γη, δεν τα έχουμε ταιριάξει ποτέ με μια πηγή στον ουρανό που προσφέρει μια οριστική τοποθεσία. Η ανίχνευση αυτών των νετρίνων είναι ένα τεράστιο επίτευγμα, αλλά αν δεν μπορούμε να τα συσχετίσουμε με ένα πραγματικό, παρατηρούμενο αντικείμενο στο Σύμπαν - για παράδειγμα, αυτό είναι επίσης παρατηρήσιμο σε κάποια μορφή ηλεκτρομαγνητικού φωτός - δεν έχουμε ιδέα για το τι τα δημιουργεί.

Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά στον καθαρό πάγο της Ανταρκτικής, παράγει δευτερεύοντα σωματίδια που αφήνουν ένα ίχνος μπλε φωτός καθώς ταξιδεύουν μέσω του ανιχνευτή IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Οι θεωρητικοί δεν είχαν κανένα πρόβλημα να βρουν ιδέες, όπως:

  • Υπερνόβες, οι πιο υπερφυσικές από όλες τις σουπερνόβες,
  • εκρήξεις ακτίνων γάμμα,
  • φλεγόμενες μαύρες τρύπες,
  • ή κβάζαρ, οι μεγαλύτερες, ενεργές μαύρες τρύπες στο Σύμπαν.

Θα χρειαζόταν όμως αποδεικτικά στοιχεία για να αποφασιστεί.

Ένα παράδειγμα ενός γεγονότος υψηλής ενέργειας νετρίνο που εντοπίστηκε από το IceCube: ένα νετρίνο 4,45 PeV που χτύπησε τον ανιχνευτή το 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

Το IceCube παρακολουθεί και εκδίδει κυκλοφορίες με κάθε νετρίνο εξαιρετικά υψηλής ενέργειας που έχουν βρει. Στις 22 Σεπτεμβρίου 2017, εμφανίστηκε ένα άλλο τέτοιο γεγονός: IceCube-170922A. Στην κυκλοφορία που κυκλοφόρησε, δήλωσαν τα εξής:

Στις 22 Σεπτεμβρίου 2017, το IceCube εντόπισε ένα συμβάν πολύ υψηλής ενέργειας που μοιάζει με κομμάτι με μεγάλη πιθανότητα να είναι αστροφυσικής προέλευσης. Η εκδήλωση ταυτοποιήθηκε με την επιλογή συμβάντων κομματιών Extremely High Energy (EHE). Ο ανιχνευτής IceCube ήταν σε κανονική κατάσταση λειτουργίας. Τα συμβάντα EHE έχουν συνήθως μια κορυφή αλληλεπίδρασης νετρίνου που βρίσκεται έξω από τον ανιχνευτή, παράγουν ένα μιόνιο που διασχίζει τον όγκο του ανιχνευτή και έχουν υψηλό επίπεδο φωτός (πληρεξούσιο για ενέργεια).
Οι κοσμικές ακτίνες πλημμυρίζουν σωματίδια από χτυπήματα πρωτονίων και ατόμων στην ατμόσφαιρα, αλλά εκπέμπουν επίσης φως λόγω της ακτινοβολίας Cherenkov. Παρατηρώντας τόσο τις κοσμικές ακτίνες από τον ουρανό όσο και τα νετρίνα που χτυπούν τη Γη, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε συμπτώσεις για να αποκαλύψουμε την προέλευση και των δύο. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Αυτή η προσπάθεια είναι ενδιαφέρουσα όχι μόνο για τα νετρίνα, αλλά και για τις κοσμικές ακτίνες γενικά. Παρά το γεγονός ότι έχουμε δει εκατομμύρια κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας για περισσότερο από έναν αιώνα, δεν καταλαβαίνουμε από πού προέρχονται οι περισσότερες από αυτές. Αυτό ισχύει για πρωτόνια, πυρήνες και νετρίνα που δημιουργούνται τόσο στην πηγή όσο και μέσω καταρράκτη / ντους στην ατμόσφαιρα.

Γι 'αυτό είναι συναρπαστικό που, μαζί με την προειδοποίηση, το IceCube έδωσε επίσης συντεταγμένες για το πού αυτό το νετρίνο θα έπρεπε να προέρχεται από τον ουρανό, στην ακόλουθη θέση:

  • RA: 77,43 deg (-0,80 deg / + 1,30 deg 90% PSF περιορισμός) J2000
  • Δεκ: 5,72 deg (-0,40 deg / + 0,70 deg 90% PSF περιορισμός) J2000

Και αυτό οδήγησε τους παρατηρητές, προσπαθώντας να πραγματοποιήσουν παρατηρήσεις παρακολούθησης σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, σε αυτό το αντικείμενο.

Η εντύπωση του καλλιτέχνη για τον ενεργό γαλαξιακό πυρήνα. Η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του δίσκου συσσώρευσης στέλνει ένα στενό πίδακα ύλης υψηλής ενέργειας στο διάστημα, κάθετα στον δίσκο. Ένα σακάκι περίπου 4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός είναι η προέλευση αυτών των κοσμικών ακτίνων και νετρίνων. (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ DESY, SCIENCE)

Αυτό είναι ένα σακάκι: μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που βρίσκεται επί του παρόντος σε ενεργή κατάσταση, τροφοδοτεί την ύλη και την επιταχύνει σε τρομερές ταχύτητες. Τα blazar είναι ακριβώς όπως τα κβάζαρ, αλλά με μια σημαντική διαφορά. Ενώ τα κβάζαρ μπορούν να προσανατολιστούν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, ένα σακάκι θα έχει πάντα ένα από τα αεροπλάνα του στραμμένα απευθείας στη Γη. Ονομάζονται blazars επειδή «φωτίζουν» ακριβώς πάνω σου.

Αυτό το συγκεκριμένο σακάκι είναι γνωστό ως TXS 0506 + 056 και όταν μια σειρά από παρατηρητήρια, συμπεριλαμβανομένου του παρατηρητηρίου Fermi της NASA και του επίγειου τηλεσκοπίου MAGIC στα Κανάρια Νησιά, εντόπισαν αμέσως ακτίνες γάμμα που προέρχονται από αυτό.

Περίπου 20 παρατηρητήρια στη Γη και στο διάστημα έκαναν παρατηρήσεις παρακολούθησης της τοποθεσίας όπου το IceCube παρατήρησε το νετρίνο του περασμένου Σεπτεμβρίου, το οποίο επέτρεψε την ταυτοποίηση του τι θεωρούν οι επιστήμονες ως πηγή νετρίνων πολύ υψηλής ενέργειας και, συνεπώς, κοσμικών ακτίνων. Εκτός από τα νετρίνα, οι παρατηρήσεις που έγιναν σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιελάμβαναν ακτίνες γάμμα, ακτίνες Χ και οπτική και ραδιοφωνική ακτινοβολία. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Όχι μόνο αυτό, αλλά όταν έφτασαν τα νετρίνα, το σακάκι βρέθηκε να βρίσκεται σε φλεγόμενη κατάσταση, που αντιστοιχεί στις πιο ενεργές εκροές που βιώνει ένα τέτοιο αντικείμενο. Από την αιχμή των εκροών και την πτώση, οι ερευνητές που συνεργάστηκαν με το IceCube πέρασαν από μια εγγραφή αξίας μιας δεκαετίας πριν από τη φλόγα της 22ης Σεπτεμβρίου 2017 και έψαξαν για τυχόν γεγονότα νετρίνων που θα προέρχονταν από τη θέση του TXS 0506 + 056.

Το άμεσο εύρημα; Οι νετρίνοι έφτασαν από αυτό το αντικείμενο σε πολλές εκρήξεις, που εκτείνονταν για πολλά χρόνια. Συνδυάζοντας τις παρατηρήσεις νετρίνων με ηλεκτρομαγνητικές, καταφέραμε να αποδείξουμε ότι τα νετρίνα υψηλής ενέργειας παράγονται από σακάκια και ότι έχουμε τη δυνατότητα να τα εντοπίσουμε, ακόμη και από τόσο μεγάλη απόσταση. Το TXS 0506 + 056, αν ήσασταν περίεργοι, βρίσκεται περίπου 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Το Blazar TXS 0506 + 056 είναι η πρώτη αναγνωρισμένη πηγή νετρίνων υψηλής ενέργειας και κοσμικών ακτίνων. Αυτή η εικόνα, που βασίζεται σε μια εικόνα του Orion από τη NASA, δείχνει τη θέση του blazar, που βρίσκεται στον νυχτερινό ουρανό ακριβώς από τον αριστερό ώμο του αστερισμού Orion. Η πηγή απέχει περίπου 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. (ICECUBE / NASA / NSF)

Ένα τεράστιο ποσό μπορεί να μάθει μόνο από αυτήν την παρατήρηση πολλαπλών μηνυμάτων.

  • Τα blazars έχουν αποδειχθεί ότι είναι τουλάχιστον μία πηγή κοσμικών ακτίνων.
  • Για να παράγετε νετρίνα, χρειάζεστε αποσυντιθέμενα ιόντα και αυτά παράγονται από επιταχυνόμενα πρωτόνια.
  • Αυτό παρέχει την πρώτη οριστική απόδειξη επιτάχυνσης πρωτονίων από μαύρες τρύπες.
  • Αυτό αποδεικνύει επίσης ότι το σακάκι TXS 0506 + 056 είναι μια από τις πιο φωτεινές πηγές στο Σύμπαν.
  • Τέλος, από τις συνοδευτικές ακτίνες γάμμα, μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι τα κοσμικά νετρίνα και οι κοσμικές ακτίνες, τουλάχιστον μερικές φορές, έχουν κοινή προέλευση.
Οι κοσμικές ακτίνες που παράγονται από πηγές αστροφυσικής υψηλής ενέργειας μπορούν να φτάσουν στην επιφάνεια της Γης. Όταν μια κοσμική ακτίνα συγκρούεται με ένα σωματίδιο στην ατμόσφαιρα της Γης, παράγει ένα ντους σωματιδίων που μπορούμε να ανιχνεύσουμε με συστοιχίες στο έδαφος. Επιτέλους, ανακαλύψαμε μια σημαντική πηγή αυτών. (ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ASPERA / ASTROPARTICLE ERANET)

Σύμφωνα με τον Frances Halzen, κύριο ερευνητή του παρατηρητηρίου νετρίνων του IceCube,

Είναι ενδιαφέρον ότι υπήρχε μια γενική συναίνεση στην αστροφυσική κοινότητα ότι τα blazars ήταν απίθανο να είναι πηγές κοσμικών ακτίνων, και εδώ είμαστε… Η ικανότητα να αναλύει τα τηλεσκόπια παγκοσμίως για να κάνει μια ανακάλυψη χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μηκών κύματος και σε συνδυασμό με έναν ανιχνευτή νετρίνων όπως το IceCube σηματοδοτεί ένα ορόσημο σε αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν «αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων».

Η εποχή της αστρονομίας πολλαπλών αγγελιοφόρων είναι επίσημα εδώ, και τώρα έχουμε τρεις εντελώς ανεξάρτητους και συμπληρωματικούς τρόπους για να κοιτάξουμε τον ουρανό: με φως, με νετρίνα και με κύματα βαρύτητας. Έχουμε μάθει ότι τα blazars, που κάποτε θεωρούνταν απίθανο υποψήφιο για την παραγωγή νετρίνων υψηλής ενέργειας και κοσμικών ακτίνων, στην πραγματικότητα δημιουργούν και τα δύο.

Αυτή είναι η εντύπωση ενός καλλιτέχνη για ένα μακρινό κβάζαρ 3C 279. Οι διπολικοί πίδακες είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό, αλλά είναι εξαιρετικά ασυνήθιστο ένα τέτοιο τζετ να μας δείχνει κατευθείαν. Όταν συμβεί αυτό, έχουμε ένα Blazar, που τώρα επιβεβαιώνεται ότι αποτελεί πηγή κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας και νετρίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας που βλέπουμε εδώ και χρόνια. (ESO / Μ. KORNMESSER)

Ένα νέο επιστημονικό πεδίο, αυτό της αστρονομίας νετρίνων υψηλής ενέργειας, ξεκινά επίσημα με αυτήν την ανακάλυψη. Τα νετρίνα δεν είναι πλέον υποπροϊόν άλλων αλληλεπιδράσεων, ούτε κοσμική περιέργεια που μόλις εκτείνεται πέρα ​​από το ηλιακό μας σύστημα. Αντ 'αυτού, μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε ως θεμελιώδης ανιχνευτής του Σύμπαντος και των βασικών νόμων της ίδιας της φυσικής. Ένας από τους σημαντικότερους στόχους για την κατασκευή του IceCube ήταν ο εντοπισμός των πηγών κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας. Με την αναγνώριση του blazar TXS 0506 + 056 ως πηγής τόσο για τα νετρίνα όσο και για τις ακτίνες γάμμα, αυτό είναι ένα κοσμικό όνειρο που επιτεύχθηκε επιτέλους.

Το Starts With A Bang είναι τώρα στο Forbes και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συγγράψει δύο βιβλία, το Beyond The Galaxy και το Treknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive.