W tym artystycznym renderowaniu blazar przyspiesza protony, które wytwarzają piony, które wytwarzają neutrina i promienie gamma. Neutrina są zawsze wynikiem reakcji hadronowej, takiej jak ta tutaj wyświetlana. Promienie gamma mogą być wytwarzane zarówno w oddziaływaniach hadronowych, jak i elektromagnetycznych. (ICECUBE / NASA)

Kosmiczny pierwszy: odkryto neutralne wysokoenergetyczne neutrina z płonących galaktyk we wszechświecie

W 1987 roku wykryliśmy neutrina z innej galaktyki w supernowej. Po 30 latach oczekiwania znaleźliśmy coś jeszcze lepszego.

Jedną z wielkich tajemnic w nauce jest ustalenie nie tylko tego, co jest na zewnątrz, ale także tego, co tworzy sygnały, które wykrywamy tutaj na Ziemi. Od ponad wieku wiemy, że przez Wszechświat prześlizgują się promienie kosmiczne: cząstki o wysokiej energii pochodzące z daleko poza naszą galaktyką. Chociaż zidentyfikowano niektóre źródła tych cząstek, przeważająca większość z nich, w tym te najbardziej energetyczne, pozostaje tajemnicą.

Na dzień dzisiejszy wszystko się zmieniło. Współpraca IceCube, 22 września 2017 r., Wykryła neutrino o bardzo wysokiej energii, które przybyło na Biegun Południowy i było w stanie zidentyfikować jego źródło. Kiedy seria teleskopów gamma spojrzała na tę samą pozycję, nie tylko zobaczyli sygnał, ale także zidentyfikowali blazara, który akurat migotał w tym momencie. W końcu ludzkość odkryła co najmniej jedno źródło, które tworzy te ultraenergetyczne kosmiczne cząstki.

Kiedy czarne dziury żerują na materii, tworzą dysk akrecyjny i dwubiegunowy strumień prostopadły do ​​niego. Kiedy strumień z supermasywnej czarnej dziury wskazuje na nas, nazywamy to albo obiektem BL Lacertae, albo blazarem. Uważa się, że jest to obecnie główne źródło zarówno promieni kosmicznych, jak i neutrin wysokoenergetycznych. (NASA / JPL)

Wszechświat, gdziekolwiek spojrzymy, jest pełen rzeczy do oglądania i interakcji. Materia zlewa się w galaktyki, gwiazdy, planety, a nawet ludzi. Promieniowanie przepływa przez Wszechświat, obejmując całe spektrum elektromagnetyczne. A na każdym centymetrze sześciennym przestrzeni znajdują się setki upiornych, drobnoziarnistych cząstek zwanych neutrinami.

Przynajmniej można by je znaleźć, gdyby oddziaływali z jakąkolwiek znaczącą częstotliwością z normalną materią, którą znamy z manipulacji. Zamiast tego neutrino musiałoby przejść rok świetlny ołowiu, aby uderzyć w niego 50/50 uderzenie cząstki. Przez dziesięciolecia po jego propozycji w 1930 roku nie byliśmy w stanie wykryć neutrino.

Reaktor jądrowy eksperymentalny RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, pokazujący charakterystyczne promieniowanie Czerenkowa z emitowanych cząstek szybciej niż światło w wodzie. Neutrina (a ściślej: antyneutrina) po raz pierwszy postawione hipotezie przez Paula w 1930 r. Zostały wykryte w podobnym reaktorze jądrowym w 1956 r. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

W 1956 r. Po raz pierwszy wykryliśmy je, ustawiając detektory bezpośrednio przed reaktorami jądrowymi, zaledwie kilka kroków od miejsca produkcji neutrin. W latach 60. zbudowaliśmy wystarczająco duże detektory - pod ziemią, chronione przed innymi zanieczyszczającymi cząsteczkami - aby znaleźć neutrina wytwarzane przez Słońce i zderzenia promienia kosmicznego z atmosferą.

Potem, w 1987 r., Tylko losowość dała nam supernową tak blisko domu, że mogliśmy wykryć z niej neutrina. Eksperymenty prowadzone dla zupełnie niepowiązanych celów wykryły neutrina z SN 1987A, zapoczątkowując erę astronomii wielosłyszowej. Neutrina, o ile moglibyśmy powiedzieć, podróżowały przez Wszechświat z energiami nie do odróżnienia od prędkości światła.

Pozostałość po supernowej 1987a, znajdująca się w Wielkim Obłoku Magellana około 165 000 lat świetlnych stąd. Fakt, że neutrina przybyły na kilka godzin przed pierwszym sygnałem świetlnym, nauczył nas więcej o czasie, w którym światło rozprzestrzenia się przez warstwy gwiazdy supernowej, niż o prędkości podróży neutrin, która była nie do odróżnienia od prędkości światła. Wygląda na to, że neutrina, światło i grawitacja poruszają się teraz z tą samą prędkością. (NOEL CARBONI I FOTOSHOP ESA / ESO / NASA PASUJE LIBERATOR)

Przez około 30 lat neutrina z tej supernowej były jedynymi neutrinami, które kiedykolwiek potwierdziliśmy, że pochodzą spoza naszego Układu Słonecznego, a tym bardziej naszej macierzystej galaktyki. Ale to nie znaczy, że nie otrzymywaliśmy bardziej odległych neutrin; oznaczało to po prostu, że nie mogliśmy solidnie zidentyfikować ich z żadnym znanym źródłem na niebie. Chociaż neutrina bardzo słabo oddziałują z materią, są bardziej podatne na interakcje, jeśli mają wyższą energię.

Właśnie tam wkracza obserwatorium neutrin IceCube.

Obserwatorium IceCube, pierwsze tego typu obserwatorium neutrin, zostało zaprojektowane do obserwacji tych nieuchwytnych, wysokoenergetycznych cząstek spod lodu Antarktydy. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Głęboko w lodzie Bieguna Południowego, IceCube otacza kilometr sześcienny stałego materiału, szukając tych prawie bezmasowych neutrin. Kiedy neutrina przechodzą przez Ziemię, istnieje szansa na interakcję z cząsteczką. Interakcja doprowadzi do deszczu cząstek, które powinny pozostawić wyraźne sygnatury w detektorze.

Na tej ilustracji neutrino oddziaływało z cząsteczką lodu, wytwarzając cząsteczkę wtórną - mion - który porusza się z prędkością relatywistyczną w lodzie, pozostawiając za sobą ślad niebieskiego światła. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

W ciągu sześciu lat funkcjonowania IceCube wykryli ponad 80 wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych o energiach powyżej 100 TeV: ponad dziesięciokrotnie najwyższych energii uzyskanych przez dowolne cząsteczki w LHC. Niektóre z nich przekroczyły nawet skalę PeV, osiągając energię tysiące razy większą niż to, co jest potrzebne do stworzenia nawet najcięższej ze znanych cząstek podstawowych.

Jednak pomimo tych wszystkich neutrin kosmicznego pochodzenia, które przybyły na Ziemię, nigdy jeszcze nie dopasowaliśmy ich do źródła na niebie, które oferuje ostateczne położenie. Wykrywanie tych neutrin jest ogromnym wyczynem, ale jeśli nie będziemy w stanie skorelować ich z rzeczywistym, obserwowanym przedmiotem we Wszechświecie - na przykład, można to również zaobserwować w jakiejś formie światła elektromagnetycznego - nie mamy pojęcia, co je tworzy.

Kiedy neutrino wchodzi w interakcję z przezroczystym lodem antarktycznym, wytwarza drugorzędne cząsteczki, które pozostawiają ślad niebieskiego światła podczas podróży przez detektor IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Teoretycy nie mieli problemu z wymyśleniem pomysłów, w tym:

  • hipernowe, najjaśniejsze ze wszystkich supernowych,
  • rozbłyski gamma,
  • migoczące czarne dziury,
  • lub kwazary, największe, aktywne czarne dziury we Wszechświecie.

Ale podjęcie decyzji wymagałoby dowodów.

Przykład zdarzenia neutrina wysokoenergetycznego wykrytego przez IceCube: neutrino 4,45 PeV uderzające w detektor w 2014 r. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube śledził i publikował wydania z każdym znalezionym neutrino o ultra wysokiej energii. 22 września 2017 r. Miało miejsce kolejne takie wydarzenie: IceCube-170922A. W wydanym wydaniu stwierdzili, co następuje:

W dniu 22 września 2017 r. IceCube wykrył podobne do torów wydarzenie o bardzo wysokiej energii z dużym prawdopodobieństwem pochodzenia astrofizycznego. Zdarzenie zostało zidentyfikowane przez wybór zdarzenia toru o ekstremalnie wysokiej energii (EHE). Detektor IceCube był w normalnym stanie roboczym. Zdarzenia EHE zwykle mają wierzchołek interakcji neutrin, który znajduje się na zewnątrz detektora, wytwarzają mion, który przemierza objętość detektora i mają wysoki poziom światła (zastępstwo dla energii).
Promienie kosmiczne zasypują cząstki uderzając w protony i atomy w atmosferze, ale emitują również światło z powodu promieniowania Czerenkowa. Obserwując zarówno promienie kosmiczne z nieba, jak i neutrina, które uderzają w Ziemię, możemy wykorzystać zbiegi okoliczności, aby odkryć pochodzenie obu. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

To przedsięwzięcie jest interesujące nie tylko dla neutrin, ale ogólnie dla promieni kosmicznych. Pomimo tego, że widzieliśmy miliony kosmicznych promieni o wysokiej energii od ponad wieku, nie rozumiemy, skąd pochodzi większość. Dotyczy to protonów, jąder i neutrin tworzonych zarówno u źródła, jak i poprzez kaskady / prysznice w atmosferze.

Dlatego fascynujące jest to, że wraz z ostrzeżeniem IceCube podał także współrzędne miejsca, w którym neutrino powinno powstać na niebie, w następującej pozycji:

  • RA: 77,43 ° (-0,80 ° / + 1,30 ° 90% ograniczenie PSF) J2000
  • Gru: 5,72 ° (-0,40 ° / + 0,70 ° 90% ograniczenie PSF) J2000

Doprowadziło to obserwatorów, którzy próbowali przeprowadzić obserwacje całego spektrum elektromagnetycznego w tym obiekcie.

Wrażenia artysty na temat aktywnego jądra galaktycznego. Supermasywna czarna dziura pośrodku dysku akrecyjnego wysyła wąski, wysokoenergetyczny strumień materii w przestrzeń, prostopadle do dysku. Blazar oddalony o około 4 miliardy lat świetlnych stąd jest źródłem tych promieni kosmicznych i neutrin. (DESY, LAB KOMUNIKACJA NAUKOWA)

To jest blazar: supermasywna czarna dziura, która jest obecnie w stanie aktywnym, żerując na materii i przyspieszając ją do ogromnych prędkości. Blazary są jak kwazary, ale z jedną ważną różnicą. Podczas gdy kwazary mogą być zorientowane w dowolnym kierunku, blazar zawsze będzie miał jeden ze swoich strumieni skierowany bezpośrednio na Ziemię. Nazywane są blazarami, ponieważ „płoną” wprost na ciebie.

Ten konkretny blazar jest znany jako TXS 0506 + 056 i kiedy mnóstwo obserwatoriów, w tym obserwatorium Fermi NASA i naziemnego teleskopu MAGIC na Wyspach Kanaryjskich, natychmiast wykryło promieniowanie gamma pochodzące z niego.

Około 20 obserwatoriów na Ziemi i w kosmosie dokonało dalszych obserwacji miejsca, w którym IceCube zaobserwowało neutrino we wrześniu ubiegłego roku, co pozwoliło na identyfikację tego, co naukowcy uważają za źródło neutrin o bardzo wysokiej energii, a tym samym promieni kosmicznych. Oprócz neutrin obserwacje dokonane w całym spektrum elektromagnetycznym obejmowały promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie optyczne i radiowe. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Co więcej, gdy przybyły neutrina, okazało się, że blazar znajduje się w stanie płomieni, co odpowiada najbardziej aktywnym odpływom, jakich doświadcza taki obiekt. Odkąd odpływy osiągnęły szczyt i odpływy, badacze powiązani z IceCube przeszli dekadę rekordów przed flarą 22 września 2017 r. I szukali wszelkich zdarzeń neutrino, które powstałyby z pozycji TXS 0506 + 056.

Natychmiastowe znalezisko? Neutrina przybywały z tego obiektu w wielu seriach, trwających wiele lat. Łącząc obserwacje neutrin z obserwacjami elektromagnetycznymi, zdecydowanie udało nam się ustalić, że neutrina wysokoenergetyczne są wytwarzane przez blazary i że jesteśmy w stanie je wykryć, nawet z tak dużej odległości. Jeśli jesteście ciekawi, TXS 0506 + 056 znajduje się w odległości około 4 miliardów lat świetlnych.

Blazar TXS 0506 + 056 jest pierwszym zidentyfikowanym źródłem wysokoenergetycznych neutrin i promieni kosmicznych. Ta ilustracja, oparta na obrazie Oriona autorstwa NASA, pokazuje lokalizację blazara, usytuowanego na nocnym niebie tuż przy lewym ramieniu konstelacji Oriona. Źródło znajduje się około 4 miliardów lat świetlnych od Ziemi. (ICECUBE / NASA / NSF)

Ogromnej ilości można się nauczyć właśnie z tej obserwacji wielu posłańców.

  • Wykazano, że Blazary są co najmniej jednym źródłem promieni kosmicznych.
  • Do produkcji neutrin potrzebne są rozkładające się piony, a te są wytwarzane przez przyspieszone protony.
  • Stanowi to pierwszy ostateczny dowód przyspieszenia protonu przez czarne dziury.
  • Pokazuje to również, że blazar TXS 0506 + 056 jest jednym z najbardziej świecących źródeł we Wszechświecie.
  • Wreszcie na podstawie towarzyszących promieni gamma możemy być pewni, że kosmiczne neutrina i promienie kosmiczne, przynajmniej czasami, mają wspólne pochodzenie.
Promienie kosmiczne wytwarzane przez wysokoenergetyczne źródła astrofizyki mogą docierać do powierzchni Ziemi. Kiedy promień kosmiczny zderza się z cząsteczką w atmosferze ziemskiej, wytwarza deszcz cząstek, które możemy wykryć za pomocą tablic na ziemi. W końcu odkryliśmy ich główne źródło. (WSPÓŁPRACA ASPERA / ERANET ASTROPARTICLE)

Według Frances Halzen, głównego badacza obserwatorium neutrin IceCube,

Interesujące jest to, że w środowisku astrofizyki panował powszechny konsensus, że blazary raczej nie będą źródłami promieniowania kosmicznego, a oto jesteśmy… Zdolność do marszowania teleskopów na całym świecie w celu odkrycia przy użyciu różnych długości fal i w połączeniu z detektorem neutrin jak IceCube stanowi kamień milowy w tym, co naukowcy nazywają „astronomią wielu posłańców”.

Era astronomii z wieloma posłańcami jest oficjalnie tutaj, a teraz mamy trzy całkowicie niezależne i uzupełniające się sposoby patrzenia w niebo: światłem, neutrinami i falami grawitacyjnymi. Dowiedzieliśmy się, że blazary, niegdyś uważane za mało prawdopodobnego kandydata do generowania wysokoenergetycznych neutrin i promieni kosmicznych, w rzeczywistości tworzą jedno i drugie.

Jest to artystyczne wrażenie odległego kwazara 3C 279. Dwubiegunowe odrzutowce są wspólną cechą, ale niezwykle rzadkie jest, aby taki strumień był skierowany bezpośrednio na nas. Kiedy tak się dzieje, mamy Blazara, który został potwierdzony jako źródło zarówno wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, jak i neutrin o bardzo wysokiej energii, które obserwujemy od lat. (ESO / M.. KORNMESSER)

Wraz z tym odkryciem oficjalnie rozpoczyna się nowa dziedzina naukowa, astronomia wysokoenergetycznych neutrin. Neutrina nie są już produktem ubocznym innych interakcji ani kosmiczną ciekawością, która ledwo wykracza poza nasz Układ Słoneczny. Zamiast tego możemy użyć ich jako podstawowej sondy Wszechświata i podstawowych praw samej fizyki. Jednym z głównych celów budowy IceCube była identyfikacja źródeł wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych. Dzięki identyfikacji blazara TXS 0506 + 056 jako źródła zarówno tych neutrin, jak i promieni gamma, jest to jedno kosmiczne marzenie, które w końcu zostało spełnione.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.