Yaklaşık dört milyar yıl önce, Dünya gezegeni henüz emekleme dönemindeyken, güneşten yaklaşık bir milyar kat daha büyük bir kara deliğin ekseni, 22 Eylül 2017'de gezegenimizin tam olarak olacağı yeri gösteriyordu.
Eksen boyunca, yüksek enerjili bir parçacık jeti fotonları ve nötrinoları ışık hızında veya ışık hızına yakın bir hızla bize doğru fırlattı. Güney Kutbu'ndaki IceCube Nötrino Gözlemevi, bu atom altı parçacıklardan birini - IceCube-170922A nötrinosunu - tespit etti ve onu Orion takımyıldızındaki küçük bir gökyüzü parçasına kadar takip etti ve kozmik kaynağı saptadı: bir milyar büyüklüğünde parlayan bir kara delik. güneş, Dünya'dan 3,7 milyar ışıkyılı uzaklıkta, blazar TXS 0506+056 olarak bilinir. Blazarlar bir süredir biliniyor. Net olmayan şey, yüksek enerjili nötrinolar üretebilecekleriydi . Daha da heyecan verici olanı, bu tür nötrinoların daha önce kaynağına kadar hiç takip edilmemiş olmasıydı.
Ulusal Bilim Vakfı tarafından 12 Temmuz 2018'de duyurulan ilk kez yüksek enerjili nötrinoların kozmik kaynağının bulunması, nötrino astronomisinde yeni bir çağın şafağını işaret ediyor. Öncü fizikçilerin Hawaii kıyılarında ilk kez büyük ölçekli bir yüksek enerjili nötrino dedektörü inşa etmeye çalıştığı 1976'dan bu yana aralıksız takip edilen IceCube'un keşfi, yüzlerce bilim insanı ve mühendis tarafından uzun ve zorlu bir kampanyanın muzaffer sonucunu işaret ediyor - ve eşzamanlı olarak tamamen yeni bir astronomi dalının doğuşu.
İki farklı astronomik habercinin – nötrinolar ve ışık – tespiti, çoklu haberci astronomisinin, evrendeki en enerjik fenomenlerden bazılarını tanımlamamız ve anlamamız için ihtiyaç duyduğumuz kaldıracı nasıl sağlayabileceğinin güçlü bir göstergesidir. Bir yıldan kısa bir süre önce bir nötrino kaynağı olarak keşfedilmesinden bu yana, blazar TXS 0506+056 yoğun bir inceleme konusu olmuştur. İlişkili nötrino akışı, kara deliğin yakınında iş başında olan fiziksel süreçlere ve Orion'un hemen omzunun hemen dışındaki konumundan neredeyse doğrudan Dünya'ya doğru ışınlanan güçlü parçacık ve radyasyon jeti hakkında derin bilgiler sağlamaya devam ediyor.
Bu olağanüstü keşifte yer alan küresel bir fizikçi ve astronom ekibindeki üç bilim insanı olarak, bu deneye katıksız cüretkarlığı, aşırı derecede soğuk bir yerde uzun vardiyalar halinde çalışmanın fiziksel ve duygusal zorluğu ve pahalı, buzda 1,5 mil derinliğinde açılan deliklere hassas ekipman ve her şeyin çalışmasını sağlar. Ve tabii ki, yepyeni bir tür teleskopa bakan ve bunun gökler hakkında ne ortaya koyduğunu gören ilk insanlar olma heyecan verici fırsatı için.
Uzak, soğuk bir nötrino dedektörü
9,000 fiti aşan bir yükseklikte ve ortalama yaz sıcaklıklarının nadiren -30 Santigrat dereceyi kırdığı bir yerde, Güney Kutbu, güneş kremine ihtiyaç duyacağınız kadar güneşli ve parlak bir yeri ziyaret etmekle övünmek dışında, hiçbir şey yapmak için ideal bir yer olarak size görünmeyebilir. burun deliklerin için. Öte yandan, yüksekliğin birkaç yüz bin yıllık bozulmamış kar yağışından oluşan kalın bir ultra saf buz tabakasından kaynaklandığını ve düşük sıcaklıkların her şeyi güzelce donmuş halde tuttuğunu fark ettiğinizde, nötrino için bu sizi şaşırtmayabilir. Teleskop üreticilerinin bilimsel avantajları, yasaklayıcı ortamdan daha ağır basıyor. Güney Kutbu artık dünyanın en büyük nötrino dedektörü IceCube'un evi .
Bu temel parçacıkların yaklaşık 100 milyarının her saniye başparmağınıza çarptığı ve tek bir dünyevi atomla etkileşime girmeden tüm Dünya'da zahmetsizce süzüldüğü göz önüne alındığında, böyle ayrıntılı bir dedektöre ihtiyacımız olması garip görünebilir.
Aslında nötrinolar, Big Bang'den kalan kozmik mikrodalga arka plan fotonlarından sonra en yaygın ikinci parçacıktır. Bilinen temel parçacıkların dörtte birini oluştururlar. Yine de, diğer maddelerle zar zor etkileşime girdiklerinden, tartışmasız en az anlaşılanlardır.
Bu zor parçacıkların bir avuç dolusu yakalamak ve kaynaklarını keşfetmek için, fizikçiler, buz gibi optik olarak net bir malzemeden yapılmış büyük - kilometre genişliğinde - dedektörlere ihtiyaç duyarlar. Neyse ki Doğa Ana, dedektörümüzü kurabileceğimiz bu bozulmamış berrak buz parçasını sağladı.
Güney Kutbu'nda birkaç yüz bilim adamı ve mühendis, özel olarak tasarlanmış bir sıcak su matkabı ile kutup buzulunda eriyen 86 ayrı 1.5 mil derinliğindeki delikte 5.000'den fazla ayrı fotosensör inşa etti ve yerleştirdi. Yedi Avustralya yaz mevsimi boyunca tüm sensörleri kurduk. IceCube dizisi 2011'in başlarında tamamen kuruldu ve o zamandan beri sürekli olarak veri alıyor.
Bu buza bağlı dedektörler dizisi, bir nötrino uçtuğunda ve yüklü parçacıklar buz gibi bir ortamda ışık hızına yakın bir hızda hareket ettiğinde yayılan mavimsi Cherenkov ışığının loş desenlerini oluşturan birkaç Dünyasal parçacıkla etkileşime girdiğinde büyük bir hassasiyetle algılayabilir.
Evrendeki nötrinolar
Nötrino dedektörlerinin Aşil topuğu, yakındaki atmosferden kaynaklanan diğer parçacıkların da bu mavimsi Cherenkov ışığı modellerini tetikleyebilmesidir. Bu yanlış sinyalleri ortadan kaldırmak için, dedektörler, hassas dedektöre ulaşmadan önce paraziti filtrelemek için buzun derinliklerine gömülür. Ancak yaklaşık bir mil katı buzun altında olmasına rağmen, IceCube hala her biri makul bir şekilde bir nötrinodan kaynaklanmış olabilecek yaklaşık 2.500 bu tür parçacık saldırısıyla karşı karşıya.
Beklenen ilginç, gerçek astrofiziksel nötrino etkileşimlerinin (kara delikten gelen nötrinolar gibi) ayda yaklaşık bir oranında olmasıyla, göz korkutucu bir samanlıkta iğne sorunuyla karşı karşıya kaldık.
IceCube stratejisi, yalnızca çok yüksek enerjili olaylara bakmaktır, bu nedenle, atmosferik kökenli olma ihtimalleri son derece düşüktür. Bu seçim kriterleri ve birkaç yıllık verilerle, IceCube uzun zamandır aradığı astrofiziksel nötrinoları keşfetti, ancak birkaç düzine yüksek enerjili nötrino arasında aktif galaktik çekirdekler veya gama ışını patlamaları gibi herhangi bir bireysel kaynağı tanımlayamadı. ele geçirmişti.
Gerçek kaynakları ortaya çıkarmak için IceCube , Penn State'deki Astrophysical Multimessenger Gözlemevi Ağı'nın yardımıyla Nisan 2016'da nötrino varış uyarıları dağıtmaya başladı. Sonraki 16 ay boyunca, Güney Kutbu'nda tespit edildikten sadece dakikalar veya saniyeler sonra, AMON ve Gama Işını Koordinatları Ağı aracılığıyla 11 IceCube-AMON nötrino uyarısı dağıtıldı.
Evrende yeni bir pencere
Uyarılar, NASA'nın Neil Gehrels Swift Gözlemevi ile otomatik bir X-ışını ve ultraviyole gözlem dizisini tetikledi ve NASA'nın Fermi Gama-Işını Uzay Teleskobu ve Nükleer Spektroskopik Teleskop Dizisi ve dünyadaki diğer 13 gözlemevi ile daha ileri çalışmalara yol açtı .
Swift, parlayan blazar TXS 0506+056'yı nötrino olayının olası bir kaynağı olarak tanımlayan ilk tesisti. Fermi Geniş Alan Teleskobu daha sonra blazarın alev alev bir durumda olduğunu ve geçmişte olduğundan çok daha fazla gama ışını yaydığını bildirdi. Haber yayıldıkça, diğer gözlemevleri coşkuyla çoğunluğa atladı ve çok çeşitli gözlemler ortaya çıktı. MAGIC yer tabanlı teleskop, nötrinomuzun çok yüksek enerjili gama ışınları (her biri bir X-ışınından yaklaşık on milyon kat daha enerjik) üreten bir bölgeden geldiğini kaydetti, böyle bir tesadüf ilk kez gözlemlendi. Diğer optik gözlemler, bulmacayı blazar TXS 0506+056'ya olan mesafeyi ölçerek tamamladı: Dünya'dan yaklaşık dört milyar ışıkyılı.
Kozmik bir yüksek enerjili nötrino kaynağının ilk kez tanımlanmasıyla, astronomi ağacında yeni bir dal filizlendi. Yüksek enerjili nötrino astronomisi daha fazla veri, gelişmiş gözlemevleri arası koordinasyon ve daha hassas dedektörler ile büyüdükçe, nötrino gökyüzünü daha iyi ve daha hassas bir şekilde haritalayabileceğiz.
Ve evren anlayışımızda heyecan verici yeni atılımlar bekliyoruz, örneğin: şaşırtıcı derecede enerjik kozmik ışınların kökeninin asırlık gizemini çözmek; belirli kuantum kütleçekim teorileri tarafından tahmin edildiği gibi, çok küçük mesafe ölçeklerinde kuantum dalgalanmaları ile uzay-zamanın kendisinin köpüklü olup olmadığını test etmek; ve TXS 0506+056 kara deliğinin etrafındakiler gibi kozmik hızlandırıcıların parçacıkları nasıl nefes kesici derecede yüksek enerjilere hızlandırmayı başardığını tam olarak anlamak.
IceCube İşbirliği, 20 yıl boyunca yüksek enerjili kozmik nötrinoların kaynaklarını belirleme hayali kurdu ve bu hayal artık gerçek oldu.
