Selles kunstilises renderduses kiirendab basaar prooone, mis tekitavad pioone, mis tekitavad neutriinoid ja gammakiiri. Neutrinod on alati hadroonilise reaktsiooni tagajärjed, näiteks siin kuvatu. Gammakiiri saab tekitada nii hadroonilises kui ka elektromagnetilises interaktsioonis. (ICECUBE / NASA)

Kosmiline esimene: ülikõrge energiaga neutrinoid, mis on leitud lõõmavatest galaktikatest kogu universumis

1987. aastal tuvastasime supernoovas teisest galaktikast pärit neutriinoid. Pärast 30-aastast ootamist oleme leidnud midagi veelgi paremat.

Üks teaduse suuri saladusi ei määra mitte ainult seda, mis seal väljas on, vaid ka seda, mis loob signaale, mida me siin Maa peal tuvastame. Juba üle sajandi oleme teadnud, et Universumi tõmblukk on kosmilised kiired: suure energiaga osakesed, mis pärinevad kaugelt meie galaktikast. Kuigi nende osakeste jaoks on kindlaks tehtud mõned allikad, jääb valdav enamus neist, sealhulgas kõige energilisemad, siiski saladuseks.

Tänase seisuga on kõik see muutunud. IceCube'i koostöö avastas 22. septembril 2017 ultra-energiaga neutriino, mis jõudis lõunapoolusele ja suutis tuvastada selle allika. Kui rea gammakiirte teleskoope vaatas samasse kohta, ei näinud nad mitte ainult signaali, vaid tuvastasid ka bleasi, mis juhtus just sel hetkel põlema. Inimkond on lõpuks avastanud vähemalt ühe allika, mis loob neid ülienergilisi kosmilisi osakesi.

Kui mustad augud toituvad ainest, loovad nad akrüülketta ja sellega risti asetseva bipolaarse joa. Kui supermassiivse musta augu juga osutab meile, kutsume seda kas BL Lacertae objektiks või bleariks. Nüüd arvatakse, et see on nii kosmiliste kiirte kui ka suure energiatarbega neutriinode peamine allikas. (NASA / JPL)

Universum, kõikjal, kuhu vaatame, on täis asju, mida vaadata ja millega suhelda. Aine koguneb kokku galaktikatesse, tähtedesse, planeetidesse ja isegi inimestesse. Kiirgusvood voolavad läbi Universumi, kattes kogu elektromagnetilise spektri. Ja igas ruutsentimeetris võib leida sadu kummituslikke, pisimassilisi osakesi, mida tuntakse neutrinodena.

Vähemalt võiks neid leida, kui nad suhtleksid mis tahes märgatava sagedusega tavalise asjaga, mida me teame, kuidas manipuleerida. Selle asemel peaks neutriino läbima kerge pliiaasta, et 50/50 lasku põrkuda seal oleva osakesega. Aastakümneid pärast selle ettepanekut 1930. aastal ei suutnud me neutrinoid tuvastada.

Reaktori tuumakatsetus RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, mis näitab iseloomulikku Cherenkovi kiirgust vees eralduvatest kiirematest kui valgusest kiirematest osakestest. Pauli poolt 1930. aastal hüpoteesitud neutriinosid (või täpsemalt antineutrinosid) tuvastati samasuguses tuumareaktoris 1956. aastal (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Aastal 1956 tuvastasime nad esmakordselt, asutades detektorid otse tuumareaktorite lähedale, vaid jalgade kaugusele neutriinide tekkekohast. 1960-ndatel ehitasime piisavalt suured detektorid - maa alla, muude muude saastavate osakeste eest varjestatud -, et leida Päikese poolt toodetud ja atmosfääriga kosmilise kiirgusega kokkupõrke tagajärjel tekkinud neutriinoid.

Siis, 1987. aastal, andis supernoova meile kodu lähedal nii serendipity kui ainult serendipity, et saaksime sellest tuvastada neutrinoosid. Katsetes, mis toimusid täiesti sõltumatutel eesmärkidel, tuvastati SN 1987A päritolu neutriinod, mis olid juurutatud mitme sõnumiga astronoomia ajastul. Neutrinod, niipalju kui me võisime öelda, rändasid üle Universumi energiaga, mida valguse kiirus ei erista.

Supernoova 1987a jäänuk, mis asub suures Magellaani pilves umbes 165 000 valgusaasta kaugusel. Fakt, et neutriinod saabusid tundi enne esimest valgussignaali, õpetasid meile rohkem supernoova tähekihtides levimise kestuse kohta rohkem kui neutronite kiiruse kiiruse korral, mis oli valguse kiirusest eristamatu. Neutrinod, valgus ja raskusjõud näivad kõik liikumas praegu sama kiirusega. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA FOTOSHOPI LIBERATOR)

Mõne 30 aasta jooksul olid sellest supernoovast pärit neutriinod ainsad, mis me kunagi oma Päikesesüsteemist väljaspool oleme kinnitanud, palju vähem meie kodugalaktikast. Kuid see ei tähenda, et me ei saaks kaugemaid neutriine; see tähendas lihtsalt seda, et me ei suutnud neid kindlalt ühegi taeva allikaga tuvastada. Ehkki neutriinod suhtlevad mateeriaga ainult väga nõrgalt, suheldakse suurema tõenäosusega, kui neil on suurem energia.

Seal tuleb sisse IceCube'i neutriino observatoorium.

IceCube'i vaatluskeskus, mis on esimene omataoline neutriinovaatluskeskus, on loodud jälgima Antarktika jää alt neid raskesti saavutatavaid kõrge energiaga osakesi. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

IceCube ümbritseb Lõunapooluse jää sügaval kuupkilomeetrit tahket materjali, otsides neid peaaegu massituid neutriine. Kui neutriinod läbivad Maad, on tõenäoline interaktsioon seal asuva osakesega. Koostoime tagajärjel tekivad osakesed, mis peaksid detektorisse jätma eksitamatu signatuuri.

Sellel illustratsioonil on neutriino suhelnud jäämolekuliga, tekitades sekundaarse osakese - müoni -, mis liigub jääl relativistliku kiirusega, jättes jälje sinise valguse taha. (KORRAL R. TÄISEM / NSF / ICECUBE)

Kuue aasta jooksul, mille IceCube töötab, on nad tuvastanud enam kui 80 suure energiaga kosmilist neutriini, mille energia on üle 100 TeV: üle kümne korra suurem kui LHC osakeste mis tahes saavutatud energia. Mõni neist on isegi PeV skaala lõiganud, saavutades energiat tuhandeid kordi suuremaks, kui on vaja teadaolevate põhiosakeste kõige raskemate moodustamiseks.

Vaatamata kõigile neile kosmilise päritoluga neutriinodele, mis Maale on saabunud, ei ole me veel kunagi võrrelnud neid taeva allikaga, mis pakub kindlat asukohta. Nende neutriinode tuvastamine on tohutu omadus, kuid kui me ei suuda neid seostada universumis asuva tegeliku, vaadeldava objektiga - näiteks on see ka elektromagnetilise valguse mingil kujul jälgitav -, pole meil aimugi, mis neid loob.

Kui neutriino interakteerub selges Antarktika jääs, tekivad sellest sekundaarsed osakesed, mis jätavad läbi IceCube'i detektori sinise valguse. (KORRAL R. TÄISEM / NSF / ICECUBE)

Teoreetikutel pole olnud probleeme ideede väljatöötamisega, sealhulgas:

  • hüpernoovid, mis on superluminous kõigist supernoovadest,
  • gammakiirgus puruneb,
  • mustade aukude põletamine,
  • või kvaasarid, suurimad, aktiivsed mustad augud Universumis.

Kuid otsustamiseks oleks vaja tõendeid.

Näide IceCube'i tuvastatud suure energiatarbimisega neutriinisündmuse kohta: 2014. aastal detektorit tabanud 4,45 PeV suurune neutriino (ICECUBE LÕUNA-POLE NEUTRINO VAATLUS / NSF / WISCONSIN-MADISONI ÜLIKOOL)

IceCube on jälginud ja andnud välja keskkonnamõjusid iga leitud ülitäpse energiaga neutriinoga. 22. septembril 2017 nähti veel ühte sellist sündmust: IceCube-170922A. Välja antud väljaandes väitsid nad järgmist:

22. septembril 2017 tuvastas IceCube rööbasteetaolise, väga suure energiakuluga sündmuse, millel on suur astrofüüsikalise päritolu tõenäosus. Sündmuse tuvastas erakordselt kõrge energiaga (EHE) rajaürituse valik. IceCube'i detektor oli normaalses töörežiimis. EHE sündmuste neutriino interaktsiooni tipp on väljaspool detektorit, need tekitavad detektori ruumalast läbiva müooni ja on kõrge valgustasemega (energia puhverserver).
Kosmilised kiired dušiosakesed löövad atmosfääris prootoneid ja aatomeid, kuid need kiirgavad ka Cherenkovi kiirguse tõttu valgust. Vaadeldes nii taevast kosmilisi kiiri kui ka Maad tabanud neutriine, saame mõlema päritolu paljastamiseks kasutada kokkusattumusi (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

See ettevõtmine on huvitav mitte ainult neutrinode, vaid ka kosmiliste kiirte jaoks üldiselt. Hoolimata asjaolust, et oleme juba enam kui sajandi vältel näinud miljoneid kosmiliste kiirte kõrgete kiirte kiirgust, ei saa me aru, kust enamik neist pärineb. See kehtib nii lähtekohas kui ka atmosfääris asuvate kaskaadide / dušide kaudu tekkivate prootonite, tuumade ja neutriinode kohta.

Seetõttu on põnev, et koos häirega andis IceCube koordinaadid ka selle kohta, kust see neutriino pidi taevast pärit olema, järgmises asukohas:

  • RA: 77,43 ° (-0,80 ° / + 1,30 ° 90% polüesterstaapelkiu sisaldus) J2000
  • Dets: 5,72 ° (-0,40 ° / + 0,70 ° 90% polüesterstaapelkiu sisaldus) J2000

Ja see viis vaatlejad, kes üritasid teostada järelvaatlusi kogu elektromagnetilise spektri ulatuses, selle objekti juurde.

Kunstniku mulje aktiivsest galaktilisest tuumast. Kihustusketta keskosas asuv supermassiivne must auk saadab kosmosesse kitsa suure energiaga joa, mis on risti kettaga. Ligikaudu 4 miljardi valgusaasta kaugusel asuv blasaar on nende kosmiliste kiirte ja neutriinode päritolu. (DESY, TEADUSSUHTE LAB)

See on bleas: ülimassiivne must auk, mis on praegu aktiivses olekus, toitub ainest ja kiirendab seda tohutul kiirusel. Blazaarid on just nagu kvasarid, kuid ühe olulise erinevusega. Kuigi kvasare saab orienteerida ükskõik millises suunas, peab bleasari üks joad olema alati suunatud otse Maale. Neid nimetatakse bleasariteks, sest nad "lõõmavad" teile otse.

Seda konkreetset basaari tuntakse kui TXS 0506 + 056 ja kui vaatluskeskuste, sealhulgas NASA Fermi observatooriumi ja Kanaari saarte maapealse teleskoobi MAGIC, pöördenurk tuvastas sellest kohe tulevad gammakiired.

Ligikaudu 20 observatooriumi Maal ja kosmoses tegid järelvaatlusi asukohast, kus IceCube vaatas eelmise aasta septembri neutriino, mis võimaldas kindlaks teha, mida teadlased peavad väga kõrge energiaga neutriinode ja seega kosmiliste kiirte allikaks. Lisaks neutriinodele hõlmasid kogu elektromagnetilise spektri vaatlused gammakiiri, röntgenikiirgust ning optilist ja raadiokiirgust. (KORRAL R. TÄISEM / NSF / ICECUBE)

Mitte ainult, kuid kui neutriinod kohale jõudsid, leiti, et blazar on põlevas olekus, mis vastab kõige aktiivsematele väljavooludele, mida selline objekt kogeb. Kuna tippvoolu ja mõõna väljavoolud olid, läbisid IceCube'iga seotud teadlased enne 22. septembri 2017. aasta puhkemist kümmekond aastat väärtust arvestust ja otsisid kõiki neutriinisündmusi, mis võiksid pärineda TXS 0506 + 056 asukohast.

Vahetu leid? Neutrinod saabusid sellest objektist mitmete puhangutega, mis kestsid mitu aastat. Kombineerides neutriinovaatlusi elektromagnetiliste vaatlustega, oleme robustselt suutnud kindlaks teha, et kõrge energiaga neutriinode tootmisel on kasutatud bleiserid ja et meil on võime neid tuvastada isegi nii kaugelt. TXS 0506 + 056, kui te oleksite uudishimulik, asub umbes 4 miljardi valgusaasta kaugusel.

Blazar TXS 0506 + 056 on esimene tuvastatud kõrge energiaga neutriinode ja kosmiliste kiirte allikas. See NASA Orioni kujutisel põhinev illustratsioon näitab blasari asukohta, mis asub öises taevas Orioni tähtkuju vasakpoolsest õlast. Allikas asub Maast umbes 4 miljardi valgusaasta kaugusel. (ICECUBE / NASA / NSF)

Just selle ühe mitme sõnumiülekande vaatluse põhjal saab tohutult palju õppida.

  • On tõestatud, et bleasarid on vähemalt üks kosmiliste kiirte allikas.
  • Neutriinode tootmiseks vajate lagunevaid pioone ja neid tekitavad kiirendatud prootonid.
  • See annab esimesed kindlad tõendid mustade aukude abil prootoni kiirenduse kohta.
  • See näitab ka, et blazar TXS 0506 + 056 on üks kõige helendavamaid allikaid universumis.
  • Kaasnevate gammakiirte põhjal võime olla kindlad, et kosmilistel neutriinodel ja kosmilistel kiirtel on vähemalt mõnikord ühine päritolu.
Suure energiaga astrofüüsikaallikate tekitatud kosmilised kiired võivad Maa pinnale jõuda. Kui kosmiline kiir põrkub Maa atmosfääris oleva osakesega, tekitab see osakeste duši, mida saame maapinnal asuvate massiividega tuvastada. Lõpuks oleme avastanud nende peamise allika. (ASPERA KOOSTÖÖ / ASTROPARTICLE ERANET)

IceCube'i neutriino observatooriumi peauurija Frances Halzeni sõnul

Huvitav on see, et astrofüüsikute kogukonnas valitses üldine üksmeel, et bleiserid pole tõenäoliselt kosmiliste kiirte allikad ja siin me olemegi ... Võimalus kogu maailmas teleskoopide abil marsruutida avastust mitmesuguste lainepikkuste abil ja koos neutriinodetektoriga. nagu IceCube tähistab verstaposti selles, mida teadlased nimetavad “mitme sõnumiga astronoomiaks”.

Messengeri astronoomia ajastu on siin ametlikult käes ja nüüd on meil taevasse vaatamiseks kolm täiesti iseseisvat ja üksteist täiendavat viisi: valguse, neutrinode ja gravitatsioonilainetega. Oleme teada saanud, et pikslid, mida kunagi peetakse suure energiaga neutriinode ja kosmiliste kiirte tekitamiseks ebatõenäoliseks kandidaadiks, loovad tegelikult mõlemad.

See on kunstniku ettekujutus kaugest kvaasarist 3C 279. Bipolaarsed joad on ühine joon, kuid on äärmiselt haruldane, et selline reaktiivjoon suunatakse otse meie poole. Kui see juhtub, on meil Blazar, mis on nüüd kinnitust leidnud nii kõrge energiaga kosmiliste kiirte kui ka ülikõrge energiaga neutriinode allikana, mida oleme aastaid näinud. (ESO / M. KORNMESSER)

Selle avastusega käivitatakse ametlikult uus teadusvaldkond, ülienergiline neutriinoastronoomia. Neutrinod pole enam teiste koostoimete kõrvalsaadus ega kosmiline uudishimu, mis ulatub vaevalt meie päikesesüsteemist kaugemale. Selle asemel võime neid kasutada universumi ja füüsika põhiseaduste enda põhisondina. IceCube'i ehitamise üks peamisi eesmärke oli kõrge energiaga kosmiliste neutriinode allikate väljaselgitamine. Kui blasaar TXS 0506 + 056 on tuvastatud nii nende neutriinode kui ka gammakiirte allikana, on see üks kosmiline unistus, mis lõpuks saavutatud on.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".