Површинско постројење за покус ИцеЦубе, који се налази на готово 1 миљу (1,6 километара) леда на Антарктици. ИцеЦубе сугерира да сабласни неутрини не постоје, али нови експеримент каже да постоје.
(Слика: © љубазношћу Неутриног опсерваторија ИцеЦубе)
У леденој пустињи Антарктика се налази масивни детектор честица, ИцеЦубе Неутрино опсерваториј. Али тражење површине за инструментом ће се показати тешким, јер је највећи део опсерваторије заробљен испод леда. Међународна опсерваторија трагала је за неутринама - безмасним, неисцрпним честицама које готово никада не делују у материју. Сада, њена запажања могу да разреше једну од највећих мистерија астрономије, одговарајући на питања која стоје иза порекла неутрина и космичких зрака.
Највећи од свих
ИцеЦубе Неутрино опсерваториј покрива један кубни километар у близини Јужног пола. Инструмент прекрива квадратни километар површине и шири се на 1.500 метара дубине. То је први детектор гигатонских неутрина икада изграђен.
Док фотографије ИцеЦубе-а често приказују зграду која сједи на снежној површини, прави посао се обавља у наставку. Вишенаменски експеримент укључује површински низ, ИцеТоп, низ од 81 станице које седе изнад жице. ИцеТоп служи као калибрациони детектор ИцеЦубе-а, као и детекција ваздушних тушева из примарних космичких зрака, као и њиховог флукса и састава.
Густи унутрашњи поддетектор, ДеепЦоре, покретач је ИцеЦубе експеримента. Свака од ИцеТоп станица састоји се од жица причвршћених на дигиталне оптичке модуле (ДОМ) који су распоређени на шестерокутној мрежи удаљеној 125 метара (4 метра). Свака жица садржи 60 ДОМ-ова величине кошарке. Овде, дубоко у леду, ИцеЦубе је у стању да лови неутрине који долазе од сунца, из Млечног пута и изван галаксије. Ове сабласне честице повезане су са космичким зракама, највећим честицама енергије које су икада посматране.
[Повезано: Тражење неутрали до извора: Откриће у сликама]
Мистериозне честице
Козмички зраци први су пут откривени 1912. Снажни рафали зрачења непрестано се сударају са Земљом, струјивши из свих делова галаксије. Научници су израчунали да се набијене честице морају формирати у неким најнасилнијим и најмање схваћеним објектима и догађајима у свемиру. Експлозивна звездана смрт звезде, супернове, пружа једну методу стварања космичких зрака; активне црне рупе у средишту галаксија још једна.
Пошто су космички зраци сачињени од наелектрисаних честица, они међусобно делују са магнетним пољима звезда и другим објектима кроз које пролазе. Поља се искривљавају и померају пут космичких зрака, онемогућујући научницима да их прате до њиховог извора.
Ту се играју неутрини. Попут космичких зрака, сматра се да се честице мале масе формирају насиљем. Али пошто неутрини немају набоја, они пролазе магнетним пољем без промене путање, крећући се равно правцем од свог извора.
"Из тог разлога, потрага за изворима космичких зрака постала је и потрага за веома високим неутринама високе енергије", наводи се на веб локацији ИцеЦубе.
Међутим, исте карактеристике које чине неутрине тако добрим гласницима такође значе да их је тешко открити. Сваке секунде приближно 100 милијарди неутрина прође кроз један квадратни инчни део вашег тела. Већина њих долази са сунца и нису довољно енергични да би их препознали ИцеЦубе, али неки ће вероватно бити произведени изван Млечног пута.
За откривање неутрина неопходна је употреба врло бистрог материјала, попут воде или леда. Када се један неутрино уруши у протон или неутрон унутар атома, настала нуклеарна реакција ствара секундарне честице које зраче плавом светлошћу познатом као Черенков зрачење.
"Неутринови које детектирамо су попут отисака прстију који нам помажу да разумемо предмете и појаве где се неутрини стварају", тврди ИцеЦубе тим.
Тешким условима
Јужни пол можда није свемир, али доноси своје изазове. Инжињери су започели изградњу на ИцеЦубеу 2004. године, седмогодишњем пројекту који је завршен према распореду 2010. Изградња је могла да се одвија само неколико месеци сваке године, током лета на јужној хемисфери, које се јавља од новембра до фебруара.
Пробушених 86 рупа захтевало је специјалну врсту бушилице - заправо две. Први је напредовао кроз јелку, слој збијеног снега, спуштајући се на око 16 метара (50 метара). Затим се бушилица за топлу воду високог притиска топила кроз лед брзином од око 2 метра (6,5 стопа) у минути, све до дубине од 2450 метара (8,038 стопа или 1,5 миље).
"Заједно су две бушилице биле у стању да доследно израде готово савршене вертикалне рупе спремне за размештање инструментације брзином од једне рупе свака два дана", наводи ИцеЦубе.
Жице су затим морале да се брзо размештају у отопљену воду пре него што се лед замрзнуо. Замрзавање је трајало неколико недеља да се стабилизује, након чега су инструменти остали недодирљиви, трајно смрзнути у леду и нису их могли поправити. Стопа отказа инструмената била је изузетно спора, мање од 100 од 5.500 сензора који тренутно не раде.
ИцеЦубе је почео давати запажања од почетка, чак и док су постављали друге жице.
Када је пројекат први пут започео, истраживачима није било јасно колико ће светлост путовати кроз лед, према Халзен-у. Са тим информацијама добро успостављена, сарадња ради на ИцеЦубе-Ген2. Надограђени опсерваториј би додао око 80 више детекцијских жица, док ће разумевање својстава леда истраживачима омогућити да сензори поставе раширеније од њихових оригиналних конзервативних процена. ИцеЦубе-Ген2 би требао да удвостручи величину опсерваторија за отприлике исти трошак.
Невероватна наука
ИцеЦубе је започео лов на неутрине пре него што је завршен, производећи неколико интригантних научних резултата на путу.
Између маја 2010. и маја 2012. године ИцеЦубе је приметио 28 врло енергетских честица. Халзен је способност детектора да посматра ове екстремне догађаје приписао завршетку детектора.
"Ово је први показатељ веома високоенергетских неутрина који долазе изван нашег Сунчевог система, са енергијама више од милион пута већим од оних опажених 1987. у вези са суперновом виђеном у великом магеланском облаку", каже Халзен у изјави. "Задовољство је коначно видети оно што смо тражили. Ово је зора новог доба астрономије."
У априлу 2012. године откривени су пар високоенергетских неутрина који су добили надимак Берт и Ерние, након ликова из дечије телевизијске емисије "Улица сезама". Са енергијом изнад 1 петаелектронволта (ПеВ), пар је био први дефинитивно детектиран неутрино изван сунчевог система од супернове 1987. године.
"То је велики пробој", рекла је Ули Катз, физичарка честица са Универзитета Ерланген-Нирнберг у Немачкој, која није била укључена у истраживање. "Мислим да је то једно од апсолутних главних открића у физици астро-честица", рекао је Катз за Спаце.цом.
Ова запажања резултирала су да је ИцеЦубе награђен за пробој године у Пхисицс Ворлд 2013.
Друга велика исплата догодила се 4. децембра 2012. године, када је опсерваторија открила догађај који су научници звали Велика птица, такође из „Улице Сезам“. Биг Бирд је био неутрино са енергијом већом од 2 квадрилијуна електрона волти, више од милион милиона пута већом од енергије зубног рендгенског зрачења, спакованог у једну честицу са мање од милионите масе масе електрона. У то време то је био неутрино с највише енергије икада откривен; од 2018. године и даље је на другом месту.
Уз помоћ НАСА-иног свемирског телескопа Ферми Гамма-раи, научници су везали Биг Бирд за високоенергетски изљев блаза познатог под називом ПКС Б1424-418. Блазаре покрећу супермасивне црне рупе у средишту галаксије. Док црна рупа спушта материјал, неки део материјала се одбацује у млазеве који носе толико енергије да засјењују звезде у галаксији. Млазнице убрзавају материју, стварајући неутрине и фрагменте атома који стварају неке космичке зраке.
Почевши од лета 2012. године, блазар је блистао између 15 и 30 пута сјајније гама зрацима од свог просека пре ерупције. Дугорочни програм осматрања назван ТАНАМИ, који је рутински пратио скоро 100 активних галаксија на јужном небу, открио је да се језгро млаза галаксије светлило четири пута између 2011. и 2013. године.
"Ниједна друга наша галаксија коју је ТАНАМИ приметио током трајања програма није показала тако драматичну промену," изјавио је Едуардо Рос из Института Мак Планцк за радио астрономију (МПИфР) из Немачке, у изјави за 2016. годину. Тим је израчунао да су два догађаја повезана.
"Узимајући у обзир сва запажања, чини се да је блазар имао средства, мотив и прилику да испали неутрину велике птице, због чега је наш главни сумњив", рекао је Маттхиас Кадлер, професор астрофизике на Универзитету у Вурзбургу у Немачка. "
У јулу 2018. ИцеЦубе је објавио да је први пут пратио неутрине до њиховог изворног блазара. У септембру 2017. године, захваљујући новоинсталираном систему узбуњивања који се емитовао научницима широм света у року од неколико минута од детекције снажног неутриног кандидата, истраживачи су успели да брзо окрену своје телескопе у смеру из којег потиче нови сигнал. Ферми је упозорио истраживаче на присуство активног блазара, познатог као ТКСС-0506 + 056, на истом делу неба. Нова запажања потврдила су да блазар гори, емитујући енергичније од уобичајеног.
У највећем делу, ТКСС је типичан блазер; то је један од 100 најсјајнијих блезова које је Ферми открио. Међутим, док је осталих 99 такође ведро, они нису бацили неутрине према ИцеЦубе-у. Последњих месеци ТКСС је треперио, осветљавао и затамњивао чак сто пута јаче него претходних година.
„Праћење високоенергетског неутрина који је ИцеЦубе открио до ТКСС 0506 + 056 ово чини први пут да смо успели да идентификујемо одређени објекат као вероватан извор тако високоенергетског неутрина“, Грегори Сивакофф, са Универзитета Алберте у Канади, наводи се у изјави.
ИцеЦубе још није готов. Нови систем узбуњивања држат ће астронома на ногама у наредним годинама. Планирани век опсерваторије је 20 година, тако да постоји најмање још једна деценија невероватних открића која долазе из опсерваторије Јужни пол.
