IceCube'i eksperimendi maapealne rajatis, mis asub Antarktikas peaaegu 1 miili (1,6 kilomeetri) jää all. IceCube väidab, et kummituslikke neutriinoid pole olemas, kuid uus eksperiment ütleb, et neid on.
(Pilt: © IceCube Neutrino observatooriumi viisakalt)
Antarktika jäisel tühermaal asub massiivne osakeste detektor, IceCube Neutrino observatoorium. Kuid instrumendi pinna otsimine osutub keeruliseks, kuna suurem osa observatooriumist on jää alla lõksus. Rahvusvaheline vaatluskeskus on jahtinud neutrinoid - massituid ja tasuta osakesi, mis peaaegu kunagi ainega ei suhtle. Nüüd võivad selle tähelepanekud lahendada ühe suurima astronoomia mõistatuse, vastates küsimustele, mis on seotud neutriinode ja kosmiliste kiirte päritoluga.
Suurim neist kõigist
Vaatluskeskus IceCube Neutrino katab lõunapooluse lähedal ühe kuupkilomeetri. Vahend katab pinna ruutkilomeetri ja ulatub 1500 meetri sügavuseni 4 920 jalga. See on esimene kunagi ehitatud gigatonnine neutriinodetektor.
Kui IceCube'i fotodel on sageli näha lumisel pinnal istuvat hoonet, siis tegelik töö tehakse allpool. Mitmeotstarbeline eksperiment hõlmab pinnamassiivi IceTop, mis koosneb 81 jaamast, mis asuvad keelpillide kohal. IceTop toimib IceCube'i kalibreerimisdetektorina, samuti õhupuhastajate tuvastamiseks primaarsete kosmiliste kiirte, nende voo ja koostise järgi.
Tihe sisemine alamdetektor DeepCore on IceCube'i eksperimendi jõud. Kõik IceTopi jaamad koosnevad digitaalsete optiliste moodulite (DOM) külge kinnitatud stringidest, mis on paigutatud kuusnurksele võrgule, mis asub üksteisest 410 jala (125 meetri) kaugusel. Igas nööris on 60 korvpalli suurust DOM-i. IceCube suudab siin sügaval jääs jahtida päikesest, Linnutee seest ja väljastpoolt galaktikat pärit neutriinodele. Need kummituslikud osakesed on ühendatud kosmiliste kiirtega, mis on kõrgeimad energiaosakesed, mida eales täheldatud.
[Seotud: Neutrino jälgimine selle allikani: avastus piltides]
Saladuslikud osakesed
Kosmilised kiired avastati esmakordselt 1912. aastal. Võimsad kiirguspursked põrkuvad Maaga pidevalt kokku, voogades sisse galaktika kõigist osadest. Teadlased arvutasid, et laetud osakesed peavad moodustuma universumi kõige ägedamates ja kõige vähem mõistetavates objektides ja sündmustes. Tähe, supernoova plahvatuslik tähesurm on üks meetod kosmiliste kiirte tekitamiseks; aktiivsed mustad augud galaktikate keskpunktis.
Kuna kosmilised kiired koosnevad laetud osakestest, interakteeruvad nad aga tähtede ja muude nendest mööda liikuvate objektide magnetväljadega. Põllud väänavad ja nihutavad kosmiliste kiirte teekonda, muutes teadlaste võimatuks neid nende lähtekohta tagasi leida.
Seal tulevad mängu neutriinod. Nagu kosmilised kiired, arvatakse, et ka väikese massiga osakesed moodustuvad vägivalla kaudu. Kuid kuna neutriinodel pole laengut, mööduvad nad magnetvälju muutmata oma teed, liikudes otse nende lähtest.
"Sel põhjusel on kosmiliste kiirte allikate otsimisest saanud ka väga kõrge energiaga neutriinode otsimine," seisab IceCube'i veebisaidi andmetel.
Samad omadused, mis muudavad neutriinodest sellised head sõnumitoojad, tähendavad ka, et neid on keeruline tuvastada. Igal sekundil läbib teie keha ruuttolli umbes 100 miljardit neutriino. Enamik neist on pärit päikesest ega ole piisavalt energilised, et IceCube neid tuvastada, kuid tõenäoliselt toodetakse neid väljaspool Linnuteed.
Neutriinisisalduse määramiseks on vaja kasutada väga selget materjali, näiteks vett või jää. Kui üksik neutriino põrkub aatomi sees prootoniks või neutroniks, tekivad tekkiva tuumareaktsiooni käigus sekundaarsed osakesed, mis eraldavad sinist valgust, mida nimetatakse Cherenkovi kiirguseks.
"Avastatud neutriinod on nagu sõrmejäljed, mis aitavad meil mõista objekte ja nähtusi, kus neutriinoid toodetakse," ütles IceCube'i meeskond.
Karmid tingimused
Lõunapoolus ei pruugi olla kosmos, kuid see toob endaga kaasa väljakutsed. Insenerid alustasid ehitust IceCube'is 2004. aastal, seitsmeaastase projektiga, mis viidi lõpule 2010. aastal. Ehitamine võis toimuda igal aastal vaid mõni kuu, Lõunapoolkera suvel, mis toimub novembrist veebruarini.
86 augu puurimiseks oli vaja spetsiaalset tüüpi puurit - tegelikult oli neid kaks. Esimene jõudis läbi kuuse, tihendatud lumekihi, umbes 50 meetrini 164 jalga. Siis sulas kõrgsurve kuumavee puur läbi jää kiirusega umbes 2 meetrit (6,5 jalga) minutis, kuni 2450 meetri sügavuseni (8,038 jalga ehk 1,5 miili).
"Koos suutsid need kaks puurijat järjekindlalt toota peaaegu täiuslikke vertikaalseid auke, mis on valmis mõõteriistade kasutuselevõtuks kiirusega üks auk iga kahe päeva tagant," teatas IceCube.
Seejärel tuli stringid enne jää külmumist kiiresti sulatatud vette lasta. Külmumisel stabiliseerumiseks kulus mõni nädal, pärast mida jäid instrumendid puutumatuks, jäässe püsivalt jäätuma ja neid polnud võimalik parandada. Mõõteriistade rikete määr on olnud äärmiselt aeglane: 5500-st andurist vähem kui 100 on praegu mittetöötavad.
IceCube hakkas vaatlusi tegema algusest peale, isegi kui teisi stringe kasutati.
Kui projekt alguse sai, polnud teadlastel Halzeni sõnul ebaselge, kui kaugele valgus läbi jää liigub. Kui see teave on hästi välja kujunenud, töötab koostöö IceCube-Gen2 suunas. Uuendatud observatoorium lisaks veel umbes 80 detektorijada, samas kui jää omaduste mõistmine võimaldab uurijatel paigutada andurid laiemalt üksteisest kaugemale kui nende esialgsed konservatiivsed hinnangud. Ligikaudu sama hinnaga peaks IceCube-Gen2 observatooriumi suurus kahekordne olema.
Uskumatu teadus
IceCube asus enne selle valmimist jahtima neutriine, tuues selle käigus mitmeid huvitavaid teadustulemusi.
Ajavahemikus mai 2010 kuni mai 2012 täheldas IceCube 28 väga kõrge energiaga osakest. Halzen omistas detektori võime jälgida neid ekstreemseid sündmusi detektori valmimisega.
"See on esimene märk, et väljaspool meie päikesesüsteemi tuleb väga kõrge energiaga neutriine, mille energia on enam kui miljon korda suurem kui 1987. aastal seoses supernoovaga, mida nähti suures Magellaani pilves," öeldakse Halzeni avalduses. "Rõõmustav on lõpuks näha seda, mida oleme otsinud. See on astronoomia uue ajastu algus."
Pärast laste telesaate "Sesame tänav" tegelaskujusid tuvastati 2012. aasta aprillis paar ülienergilist neutriini, mis olid hüüdnimega Bert ja Ernie. Energiaga üle 1 petaelektronvolti (PeV) olid paar esimesena lõplikult tuvastatud päikesesüsteemi välised neutriinod pärast 1987. aasta supernoovat.
"See on suur läbimurre," ütles Saksamaa Erlangen-Nürnbergi ülikooli osakestefüüsik Uli Katz, kes polnud uuringutega seotud. "Ma arvan, et see on üks absoluutselt suuremaid avastusi astroosakeste füüsikas," ütles Katz Space.com-ile.
Nende tähelepanekute tulemusel pälvis IceCube aasta füüsikamaailma läbimurde 2013.
Teine suurem väljamakse tuli 4. detsembril 2012, kui observatoorium tuvastas sündmuse, mida teadlased nimetasid Big Birdiks, ka "Sesame Street". Suur lind oli neutriino, mille energia ületas 2 kvadriljoni elektronvolti, mis on rohkem kui miljon miljonit korda suurem kui hammaste röntgenikiirguse energia, ja see on pakitud ühte osakese, mille elektronide mass on alla miljoni. Omal ajal oli see kõigi aegade kõrgeima energiatarbimisega neutriino; 2018. aasta seisuga on see endiselt teisel kohal.
NASA Fermi Gamma-ray kosmoseteleskoobi abil sidusid teadlased Big Bird PKS B1424-418 tuntud blasaari väga energilise puhanguga. Blazareid toidavad galaktika keskel olevad ülimaitsvad mustad augud. Kui must auk guugeldab materjali, painutatakse osa materjalist joaks, mis kannab nii palju energiat, et ületab galaktikas olevaid tähti. Düüsid kiirendavad ainet, luues neutriinoid ja aatomite fragmente, mis tekitavad kosmilisi kiirte.
Alates 2012. aasta suvest säras blazar gammakiirtes 15–30 korda heledamalt kui keskmiselt enne purse. Pikaajalisel vaatlusprogrammil TANAMI, mis regulaarselt jälgis lõunataevas peaaegu 100 aktiivset galaktikat, selgus, et galaktika joa tuum oli aastatel 2011–2013 helendanud neli korda.
"Ühelgi teisel meie galaktikast, mida TANAMI on kogu programmi vältel täheldanud, pole sellist dramaatilist muutust ilmnenud," ütles Eduardo Ros Saksamaalt Max Plancki raadioastronoomia instituudist (MPIfR) 2016. aasta avalduses. Meeskond arvutas, et kaks sündmust olid omavahel seotud.
"Võttes arvesse kõiki tähelepanekuid, näib blazaril olevat vahendeid, motiivi ja võimalus Big Bird neutriino maha tulistada, mis teeb temast peamise kahtlusaluse," ütles Würzburgi ülikooli astrofüüsika professor Matthias Kadler Saksamaa ".
IceCube teatas 2018. aasta juulis, et esimest korda on ta jälginud neutriine tagasi nende lähteblasari juurde. 2017. aasta septembris tänu äsja paigaldatud hoiatussüsteemile, mis edastati teadlastele kogu maailmas mõne minuti jooksul pärast tugeva neutriinokandidaadi tuvastamist, suutsid teadlased oma teleskoope kiiresti pöörata uue signaali päritolu suunas. Fermi hoiatas teadlasi aktiivse blazari, tuntud kui TXS-0506 + 056, olemasoluga taeva samas osas. Uued tähelepanekud kinnitasid, et basaar süttis, kiirgades tavapärasest eredamaid purskeid.
Enamasti on TXS tüüpiline bleiser; see on üks 100 eredaimast bleiserist, mille Fermi tuvastas. Ehkki ka 99 muud on heledad, pole nad neutrinoid IceCube'i poole visanud. Viimastel kuudel on TXS sümboliseerinud, helendanud ja tuhmunud sada korda tugevamalt kui eelnevatel aastatel.
"Jälgides IceCube'i tuvastatud suure energiatarbega neutriino andmeid tagasi TXS 0506 + 056, on see esimene kord, kui oleme suutnud tuvastada konkreetse objekti sellise suure energiatarbega neutriino tõenäoliseks allikaks," ütles Gregory Sivakoff ülikoolist. Kanadas Alberta osariigis, öeldi avalduses.
IceCube pole veel valmis. Uus hoiatussüsteem hoiab järgmistel aastatel astronoome varvastel. Vaatluskeskuse kavandatud kasutusiga on 20 aastat, nii et lõunapooluse observatooriumist tuleb veel vähemalt kümme aastat uskumatuid avastusi.
