Povrchové zařízení pro experiment IceCube, které se nachází v Antarktidě pod téměř 1,6 km (2 míle) ledu. IceCube naznačuje, že strašidelná neutrina neexistují, ale nový experiment říká, že ano.
(Obrázek: © S laskavým svolením observatoře IceCube Neutrino)
V ledové pustině Antarktidy sedí masivní detektor částic, Observatoř lednice Neutrino. Prohledávání povrchu nástroje se však ukáže obtížné, protože většina hvězdárny je uvězněna pod ledem. Mezinárodní observatoř hledala neutrina - bezhmotné částice bez náboje, které téměř nikdy interagují s hmotou. Nyní jeho pozorování může vyřešit jednu z největších záhad v astronomii a odpovědět na otázky za původem neutrin a kosmických paprsků.
Největší ze všech
Observatoř IceCube Neutrino zahrnuje jeden kubický kilometr poblíž jižního pólu. Přístroj pokrývá čtvercový kilometr povrchu a dosahuje hloubky až 4 920 stop (1 500 metrů). Je to první detektor gigativních neutrinů, který byl kdy postaven.
Zatímco fotografie IceCube často ukazují budovu sedící na zasněženém povrchu, skutečná práce se provádí níže. Víceúčelový experiment zahrnuje povrchové pole, IceTop, řadu 81 stanic, které sedí nad řetězci. IceTop slouží jako kalibrační detektor pro IceCube, jakož i pro detekci vzduchových sprch z primárních kosmických paprsků a jejich toku a složení.
Hustý vnitřní subdetektor, DeepCore, je hnací silou experimentu IceCube. Každá ze stanic IceTop se skládá z řetězců připojených k digitálním optickým modulům (DOM), které jsou rozmístěny na šestiúhelníkové mřížce vzdálené od sebe 125 stop (125 metrů). Každý řetězec pojme 60 DOMů velikosti basketbalu. Zde, hluboko v ledu, je IceCube schopen lovit neutrina, která přicházejí ze slunce, z Mléčné dráhy az vně galaxie. Tyto strašidelné částice jsou spojeny s kosmickými paprsky, což jsou částice s nejvyšší energií, jaké kdy byly pozorovány.
[Související: Sledování neutrina k jeho zdroji: Objev v obrazech]
Tajemné částice
Kosmické paprsky byly poprvé objeveny v roce 1912. Silné výbuchy záření neustále srazí se Zemí a stékají ze všech částí galaxie. Vědci spočítali, že nabité částice se musí tvořit v některých nejnásilnějších a nejméně pochopených objektech a událostech ve vesmíru. Výbušná hvězdná smrt hvězdy, supernovy, poskytuje jednu metodu vytváření kosmických paprsků; aktivní černé díry ve středu galaxií další.
Protože jsou však kosmické paprsky tvořeny nabitými částicemi, interagují s magnetickými poli hvězd a jinými objekty, kterými procházejí. Pole se deformují a posouvají cestu kosmických paprsků, což vědcům znemožňuje vysledovat je zpět k jejich zdroji.
Tam přicházejí do hry neutrina. Podobně jako kosmické paprsky se o nízkohmotných částicích uvažuje jako o násilí. Ale protože neutrina nemají žádný náboj, procházejí magnetickými poli bez změny své cesty a cestují po přímce od svého zdroje.
„Z tohoto důvodu se hledání zdrojů kosmických paprsků stalo také hledáním neutrín s velmi vysokou energií,“ uvádí web společnosti IceCube.
Stejné vlastnosti, díky kterým jsou neutrina takovými dobrými posly, také znamenají, že je obtížné je detekovat. Každou sekundu prochází přibližně 100 miliard neutrinů přes jeden čtvereční palec vašeho těla. Většina z nich pochází ze slunce a nejsou dostatečně energetická, aby je IceCube identifikoval, ale některé z nich pravděpodobně vznikly mimo Mléčnou dráhu.
Spotting neutrinos vyžaduje použití velmi čirého materiálu, jako je voda nebo led. Když jediné neutrino narazí do protonu nebo neutronu uvnitř atomu, výsledná jaderná reakce vytvoří sekundární částice, které vydávají modré světlo známé jako Cherenkovovo záření.
„Neutrina, která detekujeme, jsou jako otisky prstů, které nám pomáhají porozumět objektům a jevům, kde jsou neutrina produkována,“ říká tým IceCube.
Tvrdé podmínky
Jižní pól nemusí být vesmír, ale přináší své vlastní výzvy. Inženýři zahájili stavbu na IceCube v roce 2004, sedmiletém projektu, který byl dokončen podle plánu v roce 2010. Stavba mohla probíhat jen několik měsíců každý rok, během léta na jižní polokouli, které nastává od listopadu do února.
Nudných 86 děr vyžadovalo speciální typ vrtáku - ve skutečnosti dva. První postupoval přes oheň, vrstva zhutněného sněhu, dolů na asi 50 metrů. Potom se vysokotlaká vrtačka na horkou vodu roztavila ledem rychlostí asi 2 metry (6,5 stop) za minutu, až do hloubky 2 450 metrů (8 038 stop nebo 1,5 mil).
„Společně byly tyto dva vrtáky schopny důsledně vyrábět téměř dokonalé vertikální díry připravené k rozmístění přístrojů rychlostí jedné díry každé dva dny,“ říká IceCube.
Řetězce pak musely být rychle rozmístěny do roztavené vody před tím, než led znovu ztuhl. Zmrazení trvalo několik týdnů, než se nástroje stabilizovaly, poté nástroje zůstaly nedotknutelné, trvale zmrzlé v ledu a nemohly být opraveny. Míra selhání nástrojů byla extrémně pomalá, s méně než 100 z 5 500 senzorů v současné době nefunkčních.
IceCube začal dělat pozorování od začátku, i když byly rozmístěny další řetězce.
Když byl projekt poprvé zahájen, vědci si nebyli jisti, jak daleko by světlo prošlo ledem, podle Halzena. Díky dobře zavedeným informacím pracuje spolupráce na IceCube-Gen2. Vylepšená observatoř by přidala přibližně 80 dalších detektorových řetězců, zatímco pochopení vlastností ledu umožní vědcům umístit senzory daleko od sebe, než jejich původní konzervativní odhady. IceCube-Gen2 by měl zdvojnásobit velikost observatoře za zhruba stejné náklady.
Neuvěřitelná věda
IceCube začala lovit neutrina před tím, než byla dokončena, a během cesty vyprodukovala několik zajímavých vědeckých výsledků.
V období od května 2010 do května 2012 pozorovala společnost IceCube 28 velmi vysokoenergetických částic. Halzen přisuzoval schopnost detektoru pozorovat tyto extrémní události dokončení detektoru.
„Toto je první indikace velmi vysokoenergetických neutrin přicházejících z vnějšku naší sluneční soustavy, s energií více než milionkrát vyššími než energie pozorovaná v roce 1987 v souvislosti se supernovou pozorovanou ve Velkém Magellanově mračnu,“ říká Halzen v prohlášení. "Je potěšitelné, že konečně vidíme, co jsme hledali. To je úsvit nového věku astronomie."
V dubnu 2012 byly po postavách z dětské televizní show Sesame Street detekovány a přezdívány dvojice vysokoenergetických neutrin a přezdívány Bert a Ernie. S energií nad 1 petaelektronvolt (PeV) byly páry od supernovy z roku 1987 prvními definitivně detekovanými neutriny zvnějšku sluneční soustavy.
„Je to velký průlom,“ řekl Uli Katz, částicový fyzik na univerzitě v Erlangenu v Norimberku v Německu, který se do výzkumu nezúčastnil. "Myslím, že je to jeden z absolutních velkých objevů ve astro-částicové fyzice," řekl Katz Space.com.
Tato pozorování vedla k tomu, že IceCube byl oceněn průlom roku Fyzika světa 2013.
Další velká výplata přišla 4. prosince 2012, kdy observatoř detekovala událost, kterou vědci nazvali Velký pták, také z „Sesame Street“. Velký pták byl neutrino s energií přesahující 2 kvadriliony elektronových voltů, což je více než milion miliónůkrát větší než energie rentgenového rentgenového záření, zabalené do jediné částice s méně než miliontinou hmotnosti elektronu. V té době šlo o neutrino s nejvyšší energií, jaké kdy bylo detekováno; od roku 2018 je stále na druhém místě.
S pomocí Fermi gama kosmického dalekohledu NASA vědci spojili Big Bird s vysoce energetickým výbuchem blazaru známého jako PKS B1424-418. Blazary jsou poháněny supermasivními černými dírami ve středu galaxie. Když černá díra pohupuje materiál, část materiálu se vychýlí do proudů nesoucích tolik energie, že zastíní hvězdy v galaxii. Trysky urychlují hmotu a vytvářejí neutrina a fragmenty atomů, které vytvářejí nějaké kosmické paprsky.
Od léta 2012 zářil paprsek gama paprsky 15 až 30krát jasnější, než byl průměr před erupcí. Dlouhodobý pozorovací program s názvem TANAMI, který rutinně monitoroval téměř 100 aktivních galaxií na jižní obloze, odhalil, že jádro trysky galaxie se mezi lety 2011 a 2013 čtyřikrát rozjasnilo.
„Žádná jiná z našich galaxií pozorovaných TANAMI po celou dobu trvání programu nevykazovala tak dramatickou změnu,“ uvedl Eduardo Ros z Institutu Maxe Plancka pro radioastronomii (MPIfR) v Německu v prohlášení z roku 2016. Tým vypočítal, že tyto dvě události byly propojeny.
"S přihlédnutím ke všem pozorováním se zdá, že blazar měl prostředky, motiv a příležitost odpálit neutrino Big Bird, což z něj dělá našeho hlavního podezřelého," řekl Matthias Kadler, profesor astrofyziky na univerzitě ve Würzburgu v Německo."
V červenci 2018 společnost IceCube oznámila, že poprvé sledovala neutrina zpět ke zdrojovému blazaru. V září 2017 se díky nově instalovanému výstražnému systému, který vědcům po celém světě vysílal během několika minut po odhalení silného neutrino kandidáta, dokázali vědci rychle otočit své dalekohledy směrem, ze kterého nový signál pochází. Fermi upozornil vědce na přítomnost aktivního blazaru, známého jako TXS-0506 + 056, ve stejné části oblohy. Nová pozorování potvrdila, že plamen vzplanul a vyzařoval jasnější než obvyklé výboje energie.
Z větší části je TXS typickým blazarem; je to jeden ze 100 nejjasnějších sklenic detekovaných Fermi. Avšak zatímco dalších 99 je jasných, neutrhali neutrina k IceCube. V posledních měsících TXS zuřila, rozjasňovala a stmívala až stokrát silnější než v předchozích letech.
„Sledování toho, jak vysoko energetická neutrina detekovaná IceCube zpět do TXS 0506 + 056, dělá toto poprvé, kdy jsme byli schopni určit konkrétní objekt jako pravděpodobný zdroj takového vysokoenergetického neutrina,“ Gregory Sivakoff z univerzity z Alberty v Kanadě, uvedl ve svém prohlášení.
IceCube ještě není dokončen. Nový výstražný systém udrží astronomy na nohou i v dalších letech. Hvězdárna má plánovanou životnost 20 let, takže z observatoře na jižním pólu přichází nejméně další desetiletí neuvěřitelných objevů.
