Повърхностното съоръжение за експеримента IceCube, който се намира под близо 1 мили (1,6 километра) лед в Антарктида. IceCube предполага, че призрачни неутрино не съществуват, но нов експеримент казва, че го правят.
(Изображение: © С любезното съдействие на IceCube Neutrino Observatory)
В ледената пустош на Антарктида се намира масивен детектор на частици, обсерваторията на IceCube Neutrino. Но търсенето на повърхността за инструмента ще се окаже трудно, тъй като по-голямата част от обсерваторията е в капан под леда. Международната обсерватория лов на неутрино - безмалкови, безплатни частици, които почти никога не взаимодействат с материята. Сега нейните наблюдения могат да разрешат една от най-големите мистерии в астрономията, отговаряйки на въпросите, които стоят зад произхода на неутрино и космически лъчи.
Най-голямата от всички тях
Нейтрино обсерваторията IceCube обхваща един кубичен километър близо до Южния полюс. Инструментът обхваща квадратен километър от повърхността и се простира до 1500 метра дълбочина. Това е първият неутрино детектор на гигатон, създаван някога.
Докато снимките на IceCube често показват сграда, седнала на снежната повърхност, истинската работа се извършва по-долу. Многоцелевият експеримент включва повърхностен масив, IceTop, масив от 81 станции, които седят над низовете. IceTop служи като калибриращ детектор за IceCube, както и за откриване на въздушни душове от първични космически лъчи и техния поток и състав.
Плътният вътрешен поддетектор DeepCore е силата на експеримента на IceCube. Всяка от станциите на IceTop е съставена от струни, прикрепени към цифрови оптични модули (DOMs), които са разположени върху шестоъгълна мрежа, разположена на разстояние 410 фута (125 метра) един от друг. Всяка струна съдържа 60 DOM с размер на баскетбол. Тук, дълбоко в леда, IceCube е в състояние да ловува за неутрино, които идват от слънцето, от Млечния път и извън галактиката. Тези призрачни частици са свързани с космическите лъчи, най-високите енергийни частици, наблюдавани някога.
[Свързано: Проследяване на неутрино до неговия източник: откритието в снимки]
Мистериозни частици
Космическите лъчи бяха открити за първи път през 1912 г. Мощните изблици на радиация се сблъскват със Земята непрекъснато, като текат от всички части на галактиката. Учените изчислиха, че заредените частици трябва да се образуват в някои от най-насилствените и най-слабо разбрани обекти и събития във Вселената. Експлозивната звездна смърт на звезда, свръхнова, осигурява един метод за създаване на космически лъчи; активните черни дупки в центъра на галактиките друг.
Тъй като космическите лъчи са изградени от заредени частици, те обаче взаимодействат с магнитните полета на звезди и други обекти, които минават покрай тях. Полетата се изкривяват и изместват пътя на космическите лъчи, което прави невъзможно учените да ги проследят обратно до техния източник.
Именно там влизат в игра неутрино. Подобно на космическите лъчи, се смята, че частиците с ниска маса се образуват чрез насилие. Но тъй като неутрино няма заряд, те преминават покрай магнитни полета, без да променят пътя си, пътувайки по права линия от своя източник.
„Поради тази причина търсенето на източниците на космически лъчи също се е превърнало в търсене на много високоенергийни неутрино“, според уебсайта на IceCube.
Но същите характеристики, които правят неутрино толкова добри пратеници, също означават, че са трудни за откриване. Всяка секунда приблизително 100 милиарда неутрино преминават през един квадратен сантиметър от тялото ви. Повечето от тях идват от слънцето и не са достатъчно енергични, за да бъдат идентифицирани от IceCube, но някои вероятно са произведени извън Млечния път.
Забелязването на неутрино изисква използването на много бистър материал, като вода или лед. Когато едно неутрино се разбие в протона или неутрона вътре в атом, получената ядрена реакция произвежда вторични частици, които излъчват синя светлина, известна като радиация на Черенков.
„Неутрино, които откриваме, са като пръстови отпечатъци, които ни помагат да разберем предметите и явленията, където се произвеждат неутрино“, според екипа на IceCube.
Тежки условия
Южният полюс може да не е космическото пространство, но носи свои собствени предизвикателства. Инженерите започнаха строителството на IceCube през 2004 г., седемгодишен проект, който беше завършен по график през 2010 г. Строителството можеше да се извършва само няколко месеца всяка година през лятото на Южното полукълбо, което се случва от ноември до февруари.
Досадни 86 дупки изискват специален вид свредла - две от тях всъщност. Първият напредваше през елхата, слой от уплътнен сняг, слизащ на около 164 фута (50 метра). Тогава бормашина за гореща вода с високо налягане се стопи през леда със скорост около 2 метра (6,5 фута) в минута, до дълбочината на 2450 метра (8,038 фута или 1,5 мили).
„Заедно двете тренировки успяха последователно да произведат почти перфектни вертикални отвори, готови за разполагане на инструментални прибори със скорост една дупка на всеки два дни“, според IceCube.
След това струните трябваше бързо да се разгърнат в разтопената вода, преди ледът да замръзне. Замразяването отне няколко седмици, за да се стабилизира, след което инструментите останаха недосегаеми, трайно замръзнали в леда и не можеха да бъдат поправени. Коефициентът на отказ на инструментите е изключително бавен, като по-малко от 100 от 5500 сензора в момента не работят.
IceCube започна да прави наблюдения от самото начало, дори докато бяха разположени други струни.
Когато проектът започнал за пръв път, на изследователите не било ясно колко далеч светлината ще пътува през леда, според Халцен. При добре установена информация, сътрудничеството работи за IceCube-Gen2. Обновената обсерватория ще добави приблизително 80 повече детекторни струни, докато разбирането на свойствата на леда ще позволи на изследователите да поставят сензорите по-широко, отколкото техните първоначални консервативни оценки. IceCube-Gen2 трябва да удвои размера на обсерваторията за приблизително еднакви разходи.
Невероятна наука
IceCube започна лов на неутрино, преди да бъде завършен, давайки няколко интригуващи научни резултати по пътя.
Между май 2010 г. и май 2012 г. IceCube наблюдава 28 високо енергийни частици. Халцен приписва способността на детектора да наблюдава тези екстремни събития на завършването на детектора.
"Това е първата индикация за много високоенергийни неутрино, идващи извън Слънчевата ни система, с енергии над един милион пъти повече, наблюдавани през 1987 г. във връзка със свръхнова, наблюдавана в Големия магеланов облак", казва Халцен в изявление. "Радващо е най-накрая да видим това, което търсихме. Това е зората на новата ера на астрономията."
През април 2012 г. бяха открити двойка високоенергийни неутрино с прякор Берт и Ърни, след героите от детското телевизионно шоу „Улица Сезам“. С енергии над 1 петаелектронволт (PeV), двойката бяха първите окончателно открити неутрино извън Слънчевата система след свръхновата 1987 г.
"Това е голям пробив", казва Ули Кац, физик на частици в Университета в Ерланген-Нюрнберг, Германия, който не е участвал в изследванията. „Мисля, че това е едно от абсолютните основни открития във физиката на астрочастиците“, каза Кац пред Space.com.
Тези наблюдения доведоха до това, че IceCube беше отличен с пробив на годината на Physics World 2013.
Друго голямо изплащане дойде на 4 декември 2012 г., когато обсерваторията засече събитие, което учените нарекоха Голяма птица, също от „Улица Сезам“. Голямата птица беше неутрино с енергия, превишаваща 2 квадрилиона електронни волта, повече от милион милиона пъти по-голяма от енергията на зъбната рентгенова снимка, опакована в една частица с по-малко от милионна маса от електрон. По онова време това е най-високоенергийното неутрино, открито някога; към 2018 г., тя все още е на второ място.
С помощта на космическия телескоп Ферми Гама-лъч на НАСА учените завързаха Голямата птица с високо енергийния изблик на блазар, известен като PKS B1424-418. Блазарите се захранват от супермасивни черни дупки в центъра на галактика. Тъй като черната дупка събаря материал, част от материала се отклонява в струи, носещи толкова много енергия, че те засенчват звездите в галактиката. Струите ускоряват материята, създавайки неутрино и фрагментите от атоми, които създават някои космически лъчи.
Започвайки през лятото на 2012 г., блазарът свети между 15 и 30 пъти по-ярко в гама-лъчите от средната си стойност преди изригването. Дългосрочна програма за наблюдение, наречена TANAMI, която рутинно наблюдаваше почти 100 активни галактики в южното небе, разкри, че ядрото на струята на галактиката е просветляло четири пъти между 2011 и 2013 година.
"Никоя друга наша галактика, наблюдавана от TANAMI през живота на програмата, не е имала такава драматична промяна", казва Едуардо Рос от Института за радиоастрономия "Макс Планк" в Германия, се казва в изявление за 2016 г. Екипът изчисли, че двете събития са свързани.
„Като се вземат предвид всички наблюдения, изглежда, че блазарът е имал средства, мотив и възможност да уволни неутрино„ Голямата птица “, което го прави наш основен подозрителен“, казва Матиас Кадлер, професор по астрофизика в университета във Вюрцбург в Германия. "
През юли 2018 г. IceCube обяви, че за първи път е проследил неутрино обратно към техния източник на блазар. През септември 2017 г., благодарение на наскоро инсталирана система за предупреждение, която се излъчва на учени по света в рамките на минути след откриване на силен неутрино кандидат, изследователите успяха бързо да обърнат телескопите си в посоката, от която произлиза новият сигнал. Ферми алармира изследователите за наличието на активен блазар, известен като TXS-0506 + 056, в същата част на небето. Нови наблюдения потвърдиха, че блазарът пламва, излъчвайки по-ярки от обичайните изблици на енергия.
В по-голямата си част TXS е типичен блазър; това е един от 100-те най-ярките блазари, открити от Ферми. Въпреки че 99-те други също са ярки, те не са хвърлили неутрино към IceCube. През последните месеци TXS изгаря, изсветлява и затъмнява колкото сто пъти по-силен, отколкото в предишните години.
„Проследяването на високоенергийното неутрино, открито от IceCube обратно към TXS 0506 + 056, прави това за първи път, когато успяхме да идентифицираме конкретен обект като вероятния източник на такова високоенергийно неутрино“, Грегъри Сивакоф от университета на Алберта в Канада, се казва в изявление.
IceCube все още не е завършен. Новата система за предупреждение ще държи астрономите на пръстите на краката през следващите години. Планираният живот на обсерваторията е 20 години, така че има поне още десетилетие от невероятни открития, идващи от обсерваторията на Южния полюс.
