Pred približno štirimi milijardami let, ko je bil planet Zemlja še v povojih, se je os črne luknje, približno milijardo krat masivnejša od sonca, usmerila desno tja, kjer naj bi bil 22. septembra 2017 naš planet.
Vzdolž osi je visokoenergijski curek delcev pošiljal fotone in nevtrine, ki dirkajo v našo smer s svetlobo ali blizu nje. Nevtrinski observatorij IceCube na Južnem polu je odkril enega izmed teh subatomskih delcev - nevtrino IceCube-170922A - in ga našel v majhnem zavetru neba v ozvezdju Orion in določil kozmični vir: gorečo črno luknjo velikost milijardo sonce, 3, 7 milijarde svetlobnih let od Zemlje, znano kot blazar TXS 0506 + 056. Blažare poznamo že nekaj časa. Kar ni bilo jasno, je, da lahko proizvajajo visokoenergetske nevtrine. Še bolj navdušujoče je bilo, da takšnih nevtrinov še nikoli ni bilo zaslediti do izvira.
Najdba kozmičnega vira visokoenergijskih nevtrinov prvič, ki jo je 12. julija 2018 napovedala Nacionalna znanstvena fundacija, zaznamuje zore nove dobe nevtrinske astronomije. Z zasledovanjem in od začetka leta 1976, ko so pionirski fiziki prvič poskusili zgraditi obsežni visokoenergijski detektor nevtrinov ob havajski obali, IceCube odkritje obeležuje zmagoviti zaključek dolge in težke kampanje številnih sto znanstvenikov in inženirjev - in hkrati rojstvo popolnoma nove veje astronomije.
Ozvezdje Oriona, z bikovim očesom na lokaciji blazarja. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communication, CC BY-ND) Zaznavanje dveh različnih astronomskih glasnikov - nevtrinov in svetlobe - je močan dokaz, kako lahko tako imenovana večserijska astronomija zagotavlja vzvod, ki ga potrebujemo za prepoznavanje in razumevanje nekaterih najbolj energijskih pojavov v vesolju. Odkar so ga pred manj kot enim letom odkrili kot vir nevtrina, je bil blazar TXS 0506 + 056 predmet intenzivnega nadzora. Njegov pridruženi tok nevtrinov še naprej zagotavlja globok vpogled v fizične procese pri delu v bližini črne luknje in njen močan curek delcev in sevanja, ki se je spuščal skoraj neposredno na Zemljo s lokacije, tik ob Orionu.
Kot trije znanstveniki iz svetovne skupine fizikov in astronomov, ki sodelujejo v tem izjemnem odkritju, smo bili pri tem poskusu udeleženi zaradi njegove čiste drznosti, zaradi fizičnega in čustvenega izziva dela na dolgih izmenah na brutalno hladni lokaciji, pri vstavljanju dragih, občutljiva oprema v luknje, izvrtane 1, 5 milje globoko v led in tako vse deluje. In seveda za vznemirljivo priložnost, da so prvi ljudje, ki so pokukali v povsem novo vrsto teleskopa in videli, kaj se odkriva o nebesih.
**********
Na nadmorski višini več kot 9000 čevljev in s povprečnimi poletnimi temperaturami le redko prebije hladnih 30 stopinj Celzija, vas Južni pol morda ne bo predstavljal kot idealen kraj za kaj, razen hvalisanja o obisku tako sončnega in svetlega prostora, da potrebujete zaščito pred soncem za nosnice. Po drugi strani pa, ko spoznate, da je nadmorska višina posledica debelega plašča ultračistega ledu, narejenega iz več sto tisoč let neokrnjenega sneženja in da so zaradi nizkih temperatur vse skupaj lepo zamrznili, vas to morda ne bo presenetilo zaradi nevtrina gradbeniki teleskopov, znanstvene prednosti odtehtajo prepovedano okolje. Južni pol je zdaj največji nevtino detektor na svetu, IceCube.
Marec 2015: Laboratorij IceCube na postaji Južni pol Amundsen-Scott na Antarktiki gosti računalnike, ki zbirajo surove podatke iz detektorja. Zaradi satelitskih razdelitev pasovne širine se v tem laboratoriju zgodi prva raven rekonstrukcije in filtriranja dogodkov v skoraj realnem času. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Morda se zdi čudno, da potrebujemo tako izpopolnjen detektor, saj približno 100 milijard teh temeljnih delcev vsako uro sekundira skozi vašo sličico in brez truda drsi po celotni Zemlji, ne da bi pri tem posegali v en sam zemeljski atom.
Pravzaprav so nevtrini drugi najbolj vseprisotni delci, ki so le drugi fotoni kozmičnega mikrovalovnega ozadja, ki so ostali od velikega poka. Vsebujejo eno četrtino znanih temeljnih delcev. Kljub temu, da komajda komunicirajo z drugimi snovmi, so verjetno najmanj dobro razumljeni.
Da bi ujeli peščico teh nedostopnih delcev in odkrili njihove vire, fiziki potrebujejo detektorje velikega kilometra iz optično jasnega materiala, podobnega ledu. Na srečo je mati narava zagotovila to nedotaknjeno ploščo iz čistega ledu, kjer smo lahko postavili naš detektor.
Nevtrinski observatorij IceCube meri prostornino približno enega kubičnega kilometra čistega antarktičnega ledu s 5.160 digitalnimi optičnimi moduli (DOM) na globinah med 1.450 in 2.450 metri. Opazovalnica vključuje gosto podprto detektor DeepCore in armaturno tuš površino IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Na Južnem polu je več sto znanstvenikov in inženirjev zgradilo in postavilo več kot 5000 posameznih fotosenzorjev v 86 ločenih 1, 5 kilometrov globokih luknjah, stopilih v polarni ledeni kapici s prilagojenim svedrom za toplo vodo. V sedmih avstralskih poletnih sezonah smo namestili vse senzorje. Niz IceCube je bil v celoti nameščen v začetku leta 2011 in od takrat neprestano jemlje podatke.
Ta niz detektorjev, vezanih na led, lahko z veliko natančnostjo zazna, ko nevtrino leti skozi in deluje z nekaj zemeljskih delcev, ki ustvarjajo temne vzorce modrikaste Čerenkove svetlobe, ki se oddajajo, ko se nabito delci gibljejo skozi medij, kot led, s svetlobno hitrostjo.
**********
Ahilova peta detektorjev nevtrinov je, da lahko tudi drugi delci, ki izvirajo iz bližnje atmosfere, sprožijo te vzorce modrikaste Čerenkove svetlobe. Da bi odpravili te napačne signale, so detektorji zakopani globoko v led, da odstranijo motnje, preden lahko dosežejo občutljiv detektor. Toda kljub temu, da je pod skoraj miljo trdnega ledu, se IceCube še vedno spopada z okoli 2500 takšnih delcev vsako sekundo, od katerih bi lahko bil vsak verjetno nevtino.
S pričakovano hitrostjo zanimivih, pravih astrofizičnih nevtrinskih interakcij (kot prihajajoči nevtrini iz črne luknje), ki lebdijo približno na mesec, smo bili soočeni z zastrašujočo težavo igle v senu.
Strategija IceCube je gledati le na dogodke s tako visoko energijo, da bi bili po vsej verjetnosti atmosferski. S temi izbirnimi merili in večletnimi podatki je IceCube med več desetimi visokoenergetskimi nevtrini odkril astrofizične nevtrine, ki jih je dolgo iskal, vendar ni mogel prepoznati nobenih posameznih virov - na primer aktivnih galaktičnih jeder ali gama-žarkov. ujeli.
Da bi izsiljeval dejanske vire, je IceCube aprila 2016 začel s posredovanjem opozoril o nevtrinskem prihodu s pomočjo mreže astrofizične multimedijske opazovalnice v državi Penn. V naslednjih 16 mesecih je bilo prek AMON-a in koordinacijske mreže gama-žarkov razposlanih 11 nevtrinskih opozoril IceCube-AMON, le nekaj minut ali sekund po odkritju na Južnem polu.
IceCube je 22. septembra 2017 mednarodno skupnost astronomov opozoril na odkrivanje visokoenergijskega nevtrina. Približno 20 opazovalnic na Zemlji in v vesolju je opravilo nadaljnja opazovanja, ki so omogočila prepoznavanje tega, kar znanstveniki menijo, da je vir zelo visoko energijskih nevtrinov in s tem kozmičnih žarkov. Poleg nevtrinov so opazovanja, ki so jih opravili v elektromagnetnem spektru, vključevali gama žarke, rentgenske žarke ter optično in radio sevanje. Te opazovalnice vodijo mednarodne skupine s skupno več kot 1000 znanstveniki, ki jih podpirajo agencije za financiranje v državah po vsem svetu. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Opozorila so sprožila samodejno zaporedje rentgenskih in ultravijoličnih opazovanj z NASA-inim Neil Gehrels Swift Observatory in privedla do nadaljnjih študij z NASA-ino vesoljskim teleskopom Fermi Gamma-Ray in jedrsko spektroskopsko teleskopo in 13 drugimi opazovalnicami po vsem svetu.
Swift je bil prvi objekt, ki je identificiral goreč blazer TXS 0506 + 056 kot možen vir nevtrinskega dogodka. Teleskopeten z velikimi površinami Fermi je poročal, da je blazar v gorečem stanju, ki oddaja veliko več gama žarkov kot v preteklosti. Medtem ko so se novice širile, so tudi drugi opazovalniki navdušeno skakali po pasu in iz tega je sledila široka paleta opazovanj. Zemeljski teleskop MAGIC je ugotovil, da je naš nevtrino prišel iz območja, ki proizvaja zelo visoko energijske gama-žarke (vsak približno deset milijonov krat bolj energičen kot rentgen), prvič, ko so tovrstno naključje sploh opazili. Druga optična opazovanja so uganko dopolnila z merjenjem razdalje do blazarja TXS 0506 + 056: približno štiri milijarde svetlobnih let od Zemlje.
S prvo prepoznavo kozmičnega vira visokoenergijskih nevtrinov je na drevesu astronomije vzklila nova veja. Ko bo visokoenergetska nevtrino astronomija rasla z več podatki, izboljšano koordinacijo med opazovanjem in občutljivejšimi detektorji, bomo lahko nevtrinsko nebo preslikali z boljšo in boljšo natančnostjo.
In pričakujemo, da bodo sledila ustrezna nova preboja v našem razumevanju vesolja, kot so: reševanje stoletne skrivnosti nastanka osupljivo energijskih kozmičnih žarkov; preizkušanje, ali je vesoljski čas penast, s kvantnimi nihanji na zelo majhnih lestvicah na daljavo, kot predvidevajo nekatere teorije kvantne gravitacije; in natančno ugotoviti, kako kozmični pospeševalci, kot so tisti v črni luknji TXS 0506 + 056, pospešijo delce do tako neverjetno visokih energij.
20 let je s sodelovanjem IceCube sodelovalo sanje o prepoznavanju virov visokoenergijskih kozmičnih nevtrinov - in te sanje so zdaj resničnost.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Doug Cowen, profesor fizike in profesor astronomije in astrofizike, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, znanstveni sodelavec Frontiers of Science, Univerza Columbia
Derek Fox, izredni profesor za astronomijo in astrofiziko, Pennsylvania State University
