Povrchové zariadenie pre experiment IceCube, ktoré sa nachádza v Antarktíde pod takmer 1,6 km (2 míle) ľadu. IceCube naznačuje, že strašidelné neutrína neexistujú, ale nový experiment hovorí, že áno.
(Obrázok: © Zdvorilosť observatória IceCube Neutrino)
V ľadovej pustatine Antarktídy sa nachádza masívny detektor častíc, observatórium IceCube Neutrino. Ale hľadanie nástroja na povrchu sa ukáže ako ťažké, pretože väčšina observatória je uväznená pod ľadom. Medzinárodné observatórium hľadalo neutrína - bezhmotné častice bez náboja, ktoré takmer nikdy nereagujú s hmotou. Jeho pozorovania teraz môžu vyriešiť jednu z najväčších mystérií v astronómii a zodpovedať otázky za pôvodom neutrína a kozmického žiarenia.
Najväčší zo všetkých
Observatórium IceCube Neutrino sa rozprestiera jeden kilometer kubický blízko južného pólu. Prístroj pokrýva štvorcový kilometer povrchu a siaha až do hĺbky 4 920 stôp (1 500 metrov). Je to prvý gigatónový neutrínový detektor, ktorý bol kedy postavený.
Zatiaľ čo fotografie IceCube často zobrazujú budovu na zasneženom povrchu, skutočná práca sa vykonáva nižšie. Viacúčelový experiment zahŕňa povrchové pole, IceTop, sústavu 81 staníc, ktoré sa nachádzajú nad reťazcami. IceTop slúži ako kalibračný detektor pre IceCube, ako aj na detekciu vzduchových spŕch z primárnych kozmických lúčov a ich toku a zloženia.
Hustý vnútorný subdetektor DeepCore je hnacou silou experimentu IceCube. Každá zo staníc IceTop sa skladá z reťazcov pripojených k digitálnym optickým modulom (DOM), ktoré sú rozmiestnené na šesťuholníkovej mriežke vzdialenej 125 metrov. Každý reťazec má 60 DOM DOMOV s veľkosťou basketbalu. Tu, hlboko v ľade, dokáže IceCube loviť neutrína, ktoré prichádzajú zo slnka, z Mliečnej dráhy az vonkajšej strany galaxie. Tieto strašidelné častice sú spojené s kozmickými lúčmi, čo sú najčastejšie pozorované častice energie.
[Súvisiace: Sledovanie neutrína k jeho zdroju: Objav v obrazoch]
Tajomné častice
Kozmické lúče boli prvýkrát objavené v roku 1912. Silné výbuchy žiarenia sa neustále zrážajú so Zemou a prúdia zo všetkých častí galaxie. Vedci vypočítali, že nabité častice sa musia tvoriť v niektorých najnásilnejších a najmenej pochopených objektoch a udalostiach vo vesmíre. Výbušná hviezdna smrť hviezdy, supernovy, poskytuje jeden spôsob vytvorenia kozmického žiarenia; ďalšie aktívne čierne diery v strede galaxií.
Pretože sú kozmické lúče tvorené nabitými časticami, interagujú s magnetickými poľami hviezd a inými objektmi, ktorými prechádzajú. Polia sa zdeformujú a posúvajú cestu kozmickým lúčom, čo vedcom znemožňuje vysledovať ich späť k zdroju.
Tam vstupujú do hry neutrína. Podobne ako kozmické lúče sa predpokladá, že častice s nízkou hmotnosťou sa vytvárajú násilím. Ale pretože neutrína nemajú žiadny náboj, prechádzajú magnetickými poľami bez zmeny svojej cesty a cestujú po priamke od zdroja.
„Z tohto dôvodu sa hľadanie zdrojov kozmického žiarenia stalo aj vyhľadávaním neutrín s veľmi vysokou energiou,“ tvrdí webová stránka spoločnosti IceCube.
Rovnaké charakteristiky, vďaka ktorým sú neutrína takí dobrí poslovia, tiež znamenajú, že je ťažké ich zistiť. Každú sekundu prejde cez jeden štvorcový palec vášho tela približne 100 miliárd neutrín. Väčšina z nich pochádza zo slnka a nie sú natoľko energické, aby ich IceCube identifikoval, ale niektoré z nich pravdepodobne vznikli mimo Mliečnej dráhy.
Škvrnité neutrína si vyžadujú použitie veľmi číreho materiálu, ako je voda alebo ľad. Keď jediné neutrino narazí na protón alebo neutrón vo vnútri atómu, výsledná jadrová reakcia vytvorí sekundárne častice, ktoré vydávajú modré svetlo známe ako Cherenkovove žiarenie.
„Neutrína, ktoré zisťujeme, sú ako odtlačky prstov, ktoré nám pomáhajú porozumieť objektom a javom, v ktorých sa neutrína vyrábajú,“ uvádza tím IceCube.
Tvrdé podmienky
Južný pól nemusí byť vesmírom, ale prináša svoje vlastné výzvy. Inžinieri začali stavať IceCube v roku 2004, čo je sedemročný projekt, ktorý bol dokončený podľa plánu v roku 2010. Stavba sa mohla uskutočniť každý rok len niekoľko mesiacov, počas leta na južnej pologuli, ktoré nastáva od novembra do februára.
Nudných 86 dier vyžadovalo špeciálny typ vŕtačky - v skutočnosti dve z nich. Prvý postupoval cez oheň, vrstvu zhutneného snehu, až na asi 50 metrov. Potom sa vysokotlaková vŕtačka na horúcu vodu roztopila ľadom rýchlosťou asi 2 metre (6,5 stôp) za minútu, až do hĺbky 2 450 metrov (8 038 stôp alebo 1,5 míle).
„Spolu mohli tieto dve vŕtačky neustále vyrábať takmer dokonalé zvislé diery pripravené na rozmiestnenie prístrojov rýchlosťou jedného otvoru každé dva dni,“ tvrdí IceCube.
Potom sa struny museli rýchlo rozmiestniť do roztavenej vody pred tým, ako sa ľad znova roztopil. Zmrazenie trvalo niekoľko týždňov, kým sa stabilizovali, potom nástroje zostali nedotknuteľné, trvalo zamrznuté v ľade a nedali sa opraviť. Miera zlyhania prístrojov bola extrémne nízka a menej ako 100 z 5 500 senzorov v súčasnosti nefunguje.
IceCube začal robiť pozorovania od začiatku, aj keď boli nasadené iné reťazce.
Keď sa projekt začal, vedci si neboli istí, ako ďaleko by svetlo prešlo ľadom. S týmito informáciami dobre nadviazanými, spolupráca smeruje k IceCube-Gen2. Modernizované observatórium by pridalo približne 80 ďalších detektorových reťazcov, zatiaľ čo pochopenie vlastností ľadu umožní vedcom umiestniť senzory do väčšej vzdialenosti od ich pôvodných konzervatívnych odhadov. IceCube-Gen2 by mal zdvojnásobiť veľkosť observatória za približne rovnaké náklady.
Neuveriteľná veda
IceCube začal loviť neutrína skôr, ako bolo dokončené, a na ceste prinieslo niekoľko zaujímavých vedeckých výsledkov.
V období od mája 2010 do mája 2012 spoločnosť IceCube pozorovala 28 veľmi vysokoenergetických častíc. Halzen prisúdil detektorovej schopnosti pozorovať tieto extrémne udalosti dokončeniu detektora.
„Toto je prvá indikácia vysokoenergetických neutrín pochádzajúcich z vonkajšej strany našej slnečnej sústavy, s energiami viac ako miliónnásobkom energií pozorovaných v roku 1987 v súvislosti so supernovou pozorovanou vo Veľkom Magellanovom mračne,“ hovorí Halzen vo vyhlásení. „Je potešiteľné, že konečne vidíme, čo hľadáme. Toto je úsvit nového veku astronómie.“
V apríli 2012 boli po charakteroch detskej televíznej show Sesame Street zistené a prezývané Bert a Ernie. S energiami nad 1 petaelektronvolt (PeV) boli páry od supernovy z roku 1987 prvými definitívne zistenými neutrínmi zvonka slnečnej sústavy.
„Je to veľký prielom,“ povedal Uli Katz, fyzik častíc na univerzite v Erlangene-Norimbergu v Nemecku, ktorý sa nezúčastnil výskumu. „Myslím si, že je to jeden z absolútnych veľkých objavov v astro-časticovej fyzike,“ povedal pre agentúru Space.com Katz.
Tieto pozorovania viedli k tomu, že IceCube získal prielom roku Physics World 2013.
Ďalšia významná návratnosť prišla 4. decembra 2012, keď observatórium zistilo udalosť, ktorú vedci nazvali Big Bird, tiež z „Sesame Street“. Veľký vták bol neutríno s energiou presahujúcou 2 kvadriliónové elektrónové volty, čo je viac ako milión miliónkrát väčšia ako energia dentálneho röntgenového žiarenia, balené do jednej častice s menej ako milióntinou hmotnosti elektrónu. V tej dobe išlo o najvyšší energetický neutrín, aký bol kedy detekovaný; od roku 2018 je stále na druhom mieste.
Vedci pomocou Fermi Gamma-ray Space ďalekohľadu vedci priviazali Big Birda k vysoko energetickému výbuchu erbu známej ako PKS B1424-418. Blazary sú poháňané supermasívnymi čiernymi dierami v strede galaxie. Keď čierna diera šmýka materiál, časť materiálu sa vychyľuje do prúdov nesúcich toľko energie, že zatienia hviezdy v galaxii. Trysky urýchľujú hmotu a vytvárajú neutrína a fragmenty atómov, ktoré vytvárajú kozmické lúče.
Od leta 2012 žiaril lúč žiarenia gama lúčov 15 až 30-krát jasnejší, než bol priemer pred erupciou. Dlhodobý program pozorovania s názvom TANAMI, ktorý bežne monitoroval takmer 100 aktívnych galaxií na južnej oblohe, odhalil, že jadro trysky galaxie sa medzi rokmi 2011 a 2013 štyrikrát rozjasnilo.
„Žiadna iná z našich galaxií, ktoré spoločnosť TANAMI pozorovala počas celého trvania programu, nevykazovala tak dramatickú zmenu,“ uviedla vo vyhlásení z roku 2016 Eduardo Ros z Inštitútu Maxa Plancka pre Rádio astronómiu (MPIfR) v Nemecku. Tím vypočítal, že tieto dve udalosti boli prepojené.
„Vzhľadom na všetky pozorovania sa zdá, že blazar mal prostriedky, motívy a príležitosti na odpálenie neutrína Veľkého vtáka, čo z neho robí nášho hlavného podozrivého,“ povedal Matthias Kadler, profesor astrofyziky na univerzite vo Würzburgu v germany ".
V júli 2018 spoločnosť IceCube oznámila, že po prvý krát vystopovala neutrína späť k zdrojovému blazáru. V septembri 2017 sa vďaka novo inštalovanému výstražnému systému, ktorý vedcom z celého sveta vysiela v priebehu niekoľkých minút od odhalenia silného neutrínového kandidáta, vedci dokázali rýchlo otočiť svoje ďalekohľady v smere, z ktorého nový signál pochádza. Fermi upozornil vedcov na prítomnosť aktívneho lupiča, známeho ako TXS-0506 + 056, v tej istej časti oblohy. Nové pozorovania potvrdili, že plameň horel a vyžaroval jasnejšie ako zvyčajné výboje energie.
Z väčšej časti je TXS typický blazar; je to jeden zo 100 najjasnejších lúčov zistených Fermi. Kým 99 ďalších je však tiež jasných, neutrhali neutrína k IceCube. V posledných mesiacoch TXS horí, rozjasňuje a stmieva až stokrát silnejšie ako v predchádzajúcich rokoch.
„Vďaka sledovaniu vysokoenergetického neutrína zisteného pomocou IceCube späť na TXS 0506 + 056 je to prvýkrát, čo sa nám podarilo identifikovať konkrétny objekt ako pravdepodobný zdroj takého vysoko energetického neutrína,“ Gregory Sivakoff z univerzity. z Alberty v Kanade, uviedol vo vyhlásení.
IceCube ešte nie je dokončený. Nový výstražný systém udrží astronómov na nohách v budúcich rokoch. Hvezdáreň má plánovanú životnosť 20 rokov, takže z hvezdárne na južnom póle prichádza najmenej ďalšia dekáda neuveriteľných objavov.
