Пре отприлике четири милијарде година, када је планета Земља још увек била у повоју, осовина црне рупе која је око милијарду пута масивнија од сунца, показала је тачно на то где ће се наша планета налазити 22. септембра 2017.
Дуж оси, високоенергетски млаз честица послао је фотоне и неутрине који се крећу у нашем правцу брзином светлости или близу ње. Неутрино опсерваторија ИцеЦубе на Јужном полу открила је једну од тих субатомских честица - Ицецубе-170922А неутрино - и пронашла је натраг до малог комадића неба у сазвежђу Орион и одредила космички извор: горућу црну рупу величине милијарду сунца, 3, 7 милијарди светлосних година од Земље, познатих као блазар ТКСС 0506 + 056. О Блазарима се зна већ неко време. Оно што није било јасно је да они могу произвести високоенергетске неутрине. Још узбудљивије је било то што такви неутрини никада раније нису пронађени до његовог извора.
Проналажење космичког извора високоенергетских неутрина, које је 12. јула 2018. објавила Национална фондација за науку, обележава зору нове ере неутринске астрономије. Сврстано у употребу и почев од 1976. године, када су пионирски физичари први пут покушали да направе велики енергетски детектор неутрина поред хавајске обале, откриће ИцеЦубе-а обележава тријумфални закључак дуге и тешке кампање многих стотина научника и инжењера - и истовремено рођење потпуно нове гране астрономије.
Сазвежђе Орион са биковим очима на локацији блазара. (Силвиа Браво Галларт / Пројецт_ВИПАЦ_Цоммуницатион, ЦЦ БИ-НД) Откривање два различита астрономска гласника - неутрина и светлости - моћан је доказ како такозвана мултимедијска астрономија може дати полугу коју требамо да идентификујемо и разумемо неке од најенергичнијих феномена у универзуму. Откако је откривен као извор неутрина пре мање од годину дана, блазар ТКСС 0506 + 056 био је предмет интензивног надзора. Његов повезани ток неутрина и даље пружа дубоки увид у физичке процесе на делу у близини црне рупе и њеног снажног млаза честица и радијације, који се спуштао готово директно на Земљу са локације која се налази непосредно уз раме Ориона.
Како су три научника из глобалног тима физичара и астронома укључених у ово изванредно откриће, били смо привучени да учествујемо у овом експерименту због његове чедне храбрости, због физичког и емотивног изазова рада дугих смена на брутално хладном месту, убацујући скупо, осетљива опрема у рупе избушене дубоко 1, 5 миље у леду и натера да све то делује. И, наравно, за узбудљиву прилику да буду први људи који су завирили у потпуно нову врсту телескопа и видели шта нам открива о небесима.
**********
На надморској висини већој од 9000 стопа и са просечним летњим температурама ретко пробијајући хладних -30 целзијуса, Јужни пол вас можда неће погодити као идеално место за било шта, осим хвалисања посећивањем места које је сунчано и ведро, потребна вам је крема за сунчање за носнице. С друге стране, једном када схватите да је надморска висина резултат дебелог слоја ултрачистог леда направљеног од неколико стотина хиљада година нетакнутих снежних падавина и да су због ниских температура све лепо замрзнуте, можда вас то неће изненадити због неутрина градитељи телескопа, научне предности надмашују забрањено окружење. Јужни пол је сада дом највећег светског неутриног детектора, ИцеЦубе.
Март 2015: Лабораторија ИцеЦубе на станици Јужни пол града Амундсен-Сцотт, на Антарктику, налази рачунаре који сакупљају необрађене податке са детектора. Због распореда сателитских ширина, први ниво реконструкције и филтрирање догађаја се дешавају у скоро стварном времену у овој лабораторији. (Ерик Беисер, ИцеЦубе / НСФ) Може се чинити чудним да нам је потребан тако сложен детектор с обзиром да се око 100 милијарди тих основних честица провуче кроз вашу сличицу сваке секунде и лако се креће по целој Земљи без интеракције са једним земаљским атомом.
У ствари, неутрини су друга најприсутнија честица, друга је само од фотона космичке микроталасне позадине преосталих од Великог праска. Састоји се од једне четвртине познатих основних честица. Ипак, с обзиром да једва комуницирају са другом материјом, они су, по свему судећи, најмање добро разумљиви.
Да би ухватили шаку ових неухватљивих честица и открили њихове изворе, физичарима су потребни детектори широки километар направљени од оптички чистог материјала попут леда. Срећом, мајка природа је обезбедила ову нетакнуту плочу од чистог леда на којој смо могли да направимо свој детектор.
ИцеЦубе Неутрино опсерваторија инструментира запремину отприлике један кубни километар чистог антарктичког леда са 5.160 дигиталним оптичким модулима (ДОМ) на дубинама између 1.450 и 2.450 метара. Опсерваторија укључује детекторе са дебелим инструментима, ДеепЦоре, и површински туш, ИцеТоп. (Фелипе Педрерос, ИцеЦубе / НСФ) На Јужном полу неколико стотина научника и инжењера конструисало је и поставило преко 5000 појединачних фотосензора у 86 засебних рупа дубоких 1, 5 миљу, растопљених у поларној леденој капи, прилагођеном бушилицом за топлу воду. Током седам аустралских летњих сезона уградили смо све сензоре. ИцеЦубе низ је у потпуности инсталиран почетком 2011. године и од тада континуирано узима податке.
Овај низ ледених детектора може са великом прецизношћу да осјети када неутрино лети кроз интеракцију са неколико земаљских честица које стварају нејасне обрасце плавкастог черенковског светла, а одбацује се када се наелектрисане честице крећу кроз медијум попут леда брзином светлости.
**********
Ахилова пета неутринских детектора је да и друге честице, које потичу из оближње атмосфере, могу покренути ове обрасце плавкастог черенковског светла. Да би елиминисали ове лажне сигнале, детектори су закопани дубоко у лед како би филтрирали сметње пре него што могу да дођу до осетљивог детектора. Али упркос томе што се налази под готово миљом чврстог леда, ИцеЦубе се и даље суочава са налетом од око 2500 таквих честица сваке секунде, од којих би свака вероватно могла бити последица неутрина.
Са очекиваном стопом занимљивих, стварних астрофизичких интеракција неутрина (попут долазних неутрина из црне рупе) који лебде око један месец, суочили смо се са застрашујућим проблемом игла-у-пласту.
ИцеЦубе стратегија је гледати само на догађаје са тако високом енергијом да су по вероватноћи мало атмосферског порекла. Помоћу ових критеријума одабира и неколико година података, ИцеЦубе је открио астрофизичке неутрине које је дуго тражио, али није могао да идентификује било које појединачне изворе - попут активних галактичких језгара или гама-зрачења - међу неколико десетина високоенергетских неутрина. ухватили.
Како би задиркивао стварне изворе, ИцеЦубе је у априлу 2016. почео да дистрибуира упозорења о доласку неутрина уз помоћ Астрофизичке мреже опсерваторија за вишеструки преносник у држави Пенн. Током следећих 16 месеци, 11 АМЦ ИцеЦубе-АМОН неутрино упозорења дистрибуирано је преко АМОН-а и мреже гама-координата, само неколико минута или секунди након што је откривен на Јужном полу.
22. септембра 2017. ИцеЦубе је алармирао међународну астрономску заједницу о детекцији високоенергетског неутрина. Око 20 опсерваторија на Земљи и у свемиру обавило је праћења, која су омогућила идентификацију онога што научници сматрају извором врло високоенергетских неутрина, а самим тим и космичких зрака. Поред неутрина, посматрања рађена широм електромагнетног спектра укључују гама-зраке, Кс-зраке и оптичко и радио-зрачење. Овим опсерваторијама управљају међународни тимови са укупно више од 1.000 научника које подржавају агенције за финансирање у земљама широм света. (Ницолле Р. Фуллер / НСФ / ИцеЦубе) **********
Обавештења су покренула аутоматизовани низ Кс-зрака и ултраљубичастог осматрања НАСА-иног опсерваторија Неил Гехрелс Свифт и довела до даљих студија НАСА-иног свемирског телескопа Ферми Гамма-Раи и нуклеарног спектроскопског телескопа и 13 других опсерваторија широм света.
Свифт је био први објекат који је идентификовао пламтећи блазер ТКСС 0506 + 056 као могући извор неутриног догађаја. Телескопетен велике површине Ферми известио је да је блазар у запаљеном стању, емитујући много више гама зрака него што је имао у прошлости. Како су се вести прошириле, друге опсерваторије с одушевљењем су скакале по појасу и уследили су широк спектар запажања. МАГИЦ земаљски телескоп приметио је да наш неутрино потиче из региона који производи високо-енергетске гама-зраке (сваки око десет милиона пута енергичнији од Кс-зрака), што је први пут да је таква случајност икада примећена. Остала оптичка опажања употпунила су загонетку мерењем удаљености до блазар ТКСС 0506 + 056: око четири милијарде светлосних година од Земље.
Са првим препознавањем космичког извора високоенергетских неутрина, нова граница на дрвету астрономије је изронила. Како високоенергетска неутрино астрономија расте са више података, побољшаном координацијом између опсерваторије и осетљивијим детекторима, моћи ћемо да мапирамо неутрино небо са бољом и бољом прецизношћу.
И очекујемо нове узбудљиве провале у нашем разумевању универзума које ће следити као што су: решавање вековне мистерије порекла невероватно енергетских космичких зрака; испитивање да ли је просторно време пенасто, са квантним флуктуацијама на веома малим размерама удаљености, како је предвиђено одређеним теоријама квантне гравитације; и схватити тачно како космички акцелератори, попут оних око ТКСС 0506 + 056 црне рупе, успевају да убрзају честице до тако невјеројатно високе енергије.
20 година, ИцеЦубе колаборација имала је сан да идентификује изворе високоенергетских космичких неутрина - и тај сан је сада стварност.
Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Доуг Цовен, професор физике и професор астрономије и астрофизике, Пеннсилваниа Стате Университи
Азадех Кеивани, сарадник са Фронтиерс оф Сциенце, Универзитет Цолумбиа
Дерек Фок, ванредни професор за астрономију и астрофизику, Државни универзитет у Пенсилванији
