IceCube: Kosmisko staru noslēpumu atklāšana

IceCube Neitrino observatorija

Virszemes iekārta IceCube eksperimentam, kas atrodas zem gandrīz 1 jūdzes (1,6 kilometri) ledus Antarktīdā. IceCube liecina, ka spokaini neitrīni neeksistē, bet jauns eksperiments saka, ka tie pastāv. (Attēla kredīts: pieklājīgi no IceCube Neutrino observatorijas)





Antarktīdas ledus tuksnesī atrodas milzīgs daļiņu detektors - IceCube Neutrino observatorija. Bet instrumenta meklēšana virsmā izrādīsies grūta, jo lielākā observatorijas daļa ir iesprostota zem ledus. Starptautiskā observatorija medī neitrīnus - bez masas, bez lādiņa esošas daļiņas, kas gandrīz nekad mijiedarbojas ar matēriju. Tagad tās novērojumi var atrisināt vienu no lielākajiem astronomijas noslēpumiem, atbildot uz jautājumiem par neitrīno un kosmisko staru izcelsmi.

Lielākais no tiem visiem

IceCube Neutrino observatorija aptver vienu kubikkilometru netālu no Dienvidpola. Instruments aptver kvadrātkilometru virsmas un stiepjas līdz 4920 pēdu (1500 metru) dziļumam. Tas ir pirmais jebkad uzbūvētais gigatonu neitrīno detektors.

Lai gan IceCube fotogrāfijās bieži redzama ēka, kas sēž uz sniegotas virsmas, patiesais darbs tiek veikts zemāk. Daudzfunkcionālais eksperiments ietver virsmas masīvu IceTop, 81 staciju masīvu, kas atrodas virs stīgām. IceTop kalpo kā IceCube kalibrēšanas detektors, kā arī gaisa dušu noteikšana no primārajiem kosmiskajiem stariem un to plūsma un sastāvs.



Blīvais iekšējais apakšdetektors DeepCore ir IceCube eksperimenta spēkstacija. Katru IceTop staciju veido virknes, kas piestiprinātas pie digitālajiem optiskajiem moduļiem (DOM), kas izvietoti uz sešstūra režģa, kas atrodas 125 metru attālumā viens no otra. Katrā virknē ir 60 basketbola lieluma DOM. Šeit, dziļi ledū, IceCube spēj medīt neitrīnus, kas nāk no saules, no Piena ceļa un ārpus galaktikas. Šīs spokainās daļiņas ir savienotas ar kosmiskajiem stariem - augstākajām enerģijas daļiņām, kādas jebkad novērotas.

[ Saistīts: Neitrīno izsekošana līdz tās avotam: atklājums attēlos ]

Noslēpumainas daļiņas

Kosmiskie stari pirmo reizi tika atklāti 1912. gadā. Spēcīgie starojuma pārrāvumi pastāvīgi saduras ar Zemi, kas plūst no visām galaktikas daļām. Zinātnieki aprēķināja, ka uzlādētajām daļiņām jāveidojas dažos no vardarbīgākajiem un vismazāk saprotamajiem Visuma objektiem un notikumiem. Zvaigznes, supernovas, sprādzienbīstamā zvaigžņu nāve nodrošina vienu kosmisko staru radīšanas metodi; citi melnie caurumi galaktiku centrā.



Tā kā kosmiskos starus veido lādētas daļiņas, tie mijiedarbojas ar zvaigžņu un citu objektu magnētiskajiem laukiem. Lauki deformējas un maina kosmisko staru ceļu, padarot zinātniekus neiespējamus tos izsekot līdz avotam.

Šeit spēlē neitrīni. Tāpat kā kosmiskie stari, domājams, ka mazmasas daļiņas veidojas vardarbības ceļā. Bet, tā kā neitrīniem nav lādiņa, tie iet garām magnētiskajiem laukiem, nemainot ceļu, ceļojot taisnā līnijā no avota.

'Šī iemesla dēļ kosmisko staru avotu meklēšana ir kļuvusi arī par ļoti augstas enerģijas neitrīno meklēšanu,' IceCube vietne .



Tomēr tās pašas īpašības, kas padara neitrīnus par tik labiem vēstnešiem, nozīmē arī to, ka tos ir grūti atklāt. Katru sekundi aptuveni 100 miljardi neitrīno iziet cauri jūsu ķermeņa kvadrātcollai. Lielākā daļa no tiem nāk no saules un nav pietiekami enerģiski, lai tos varētu identificēt ar IceCube, bet daži, visticamāk, ir ražoti ārpus Piena ceļa.

Lai noteiktu neitrīnus, ir jāizmanto ļoti skaidrs materiāls, piemēram, ūdens vai ledus. Kad viens neitrīno ietriecas protonā vai neitronā atoma iekšienē, iegūtā kodolreakcija rada sekundāras daļiņas, kas izstaro zilu gaismu, kas pazīstama kā Čerenkova starojums.

'Neitrīni, kurus mēs atklājam, ir kā pirkstu nospiedumi, kas palīdz mums saprast objektus un parādības, kur neitrīni tiek ražoti.' IceCube komanda .

Skarbi apstākļi

Dienvidpols, iespējams, nav kosmoss, taču tas rada savas problēmas. Inženieri sāka būvēt IceCube 2004. gadā-septiņu gadu projektu, kas tika pabeigts saskaņā ar grafiku 2010. gadā. Būvniecība varēja notikt tikai dažus mēnešus katru gadu, dienvidu puslodes vasarā, kas notiek no novembra līdz februārim.

86 urbumu urbšanai bija nepieciešams īpašs urbšanas veids - divi no tiem. Pirmais virzījās cauri eglei, sablīvēta sniega kārtai, līdz apmēram 50 metriem. Pēc tam augstspiediena karstā ūdens urbis izkusa caur ledu ar ātrumu aptuveni 2 metri (6,5 pēdas) minūtē līdz 2450 metru dziļumam (8,038 pēdas jeb 1,5 jūdzes).

'Kopā abas urbjmašīnas spēja konsekventi radīt gandrīz perfektus vertikālus caurumus, kas ir gatavi instrumentu izvietošanai ar vienu caurumu ik pēc divām dienām,' saskaņā ar IceCube .

Pēc tam stīgas bija ātri jāizvieto izkausētajā ūdenī pirms ledus atsaldēšanas. Sasalšanai vajadzēja dažas nedēļas, lai stabilizētos, pēc tam instrumenti palika neskarti, pastāvīgi sasaluši ledū un tos nevarēja salabot. Instrumentu atteices līmenis ir bijis ārkārtīgi lēns, un mazāk nekā 100 no 5500 sensoriem pašlaik nedarbojas.

IceCube sāka veikt novērojumus jau no paša sākuma, pat kamēr tika izvietotas citas virknes.

Sākot projektu, pētniekiem nebija skaidrs, cik tālu gaisma ceļos pa ledu, norāda Halzens. Ņemot vērā šo informāciju, sadarbība tiek veidota, lai izveidotu IceCube-Gen2. Uzlabotā observatorija pievienotu vēl aptuveni 80 detektoru virknes, savukārt ledus īpašību izpratne ļaus pētniekiem novietot sensorus plašāk, nekā to sākotnējie konservatīvie aprēķini. IceCube-Gen2 vajadzētu dubultot observatorijas izmēru par aptuveni tādām pašām izmaksām.

IceCube sensors, pievienots a

IceCube sensors, kas piestiprināts pie “auklas”, nokāpj Antarktikas ledus urbumā.(Attēla kredīts: NSF/B. Gudbjartsons)

Neticama zinātne

IceCube sāka medīt neitrīnus, pirms tas tika pabeigts, radot vairākus intriģējošus zinātniskus rezultātus.

No 2010. gada maija līdz 2012. gada maijam IceCube novēroja 28 ļoti augstas enerģijas daļiņas. Halzens attiecināja detektora spēju novērot šos ekstremālos notikumus ar detektora pabeigšanu.

'Šī ir pirmā norāde uz ļoti augstas enerģijas neitrīniem, kas nāk no mūsu Saules sistēmas ārpuses, un enerģija ir vairāk nekā miljons reižu lielāka par to, kas tika novērota 1987. gadā saistībā ar supernovu, kas redzama Lielajā Magelāna mākonī,' sacīja Halzens. paziņojums, apgalvojums . 'Ir patīkami beidzot redzēt to, ko esam meklējuši. Šī ir jauna astronomijas laikmeta rītausma. '

2012. gada aprīlī bērnu televīzijas šova “Sezama iela” varoņu vārdā tika atklāts pāris augstas enerģijas neitrīno, kuru iesauka Berts un Ernijs. Ar enerģiju virs 1 petaelektronvoltiem (PeV), pāris bija pirmie galīgi atklātie neitrīni no Saules sistēmas ārpus 1987. gada supernovas.

'Tas ir būtisks sasniegums,' sacīja Ēligengenas-Nirnbergas universitātes Vācijā daļiņu fiziķis Uli Katz, kurš nebija iesaistīts pētījumā. 'Es domāju, ka tas ir viens no absolūti galvenajiem atklājumiem astrodaļiņu fizikā,' Katz pastāstīja guesswhozoo.com .

Šo novērojumu rezultātā IceCube tika apbalvots Fizikas pasaule 2013 Gada izrāviens .

Vēl viena liela atmaksa notika 2012. gada 4. decembrī, kad observatorija atklāja notikumu, ko zinātnieki nosauca par Lielo putnu, arī no “Sezama ielas”. Big Bird bija neitrīno, kura enerģija pārsniedza 2 kvadriljonus elektronu voltu, kas ir vairāk nekā miljons miljonu reižu lielāka nekā zobu rentgena staru enerģija, iepakota vienā daļiņā ar mazāk nekā miljonu elektronu masas daļu. Tajā laikā tas bija vislielākās enerģijas neitrīno, kāds jebkad atklāts; no 2018. gada tas joprojām ieņem otro vietu.

Ar NASA Fermi gamma staru kosmosa teleskopa palīdzību zinātnieki piesaistīja Big Bird pie ļoti enerģiskā blazāra uzliesmojuma, kas pazīstams kā PKS B1424-418. Blazarus darbina supermasīvi melnie caurumi galaktikas centrā. Melnajam caurumam norijot materiālu, daļa materiāla tiek novirzīta sprauslās, kas nes tik daudz enerģijas, ka tās pārspēj galaktikas zvaigznes. Sprauslas paātrina matēriju, radot neitrīnus un atomu fragmentus, kas rada dažus kosmiskos starus.

Sākot ar 2012. gada vasaru, blazārs gamma staros spīdēja no 15 līdz 30 reizēm spožāk nekā vidēji pirms izvirduma. Ilgtermiņa novērojumu programma ar nosaukumu TANAMI, kas regulāri uzraudzīja gandrīz 100 aktīvās galaktikas dienvidu debesīs, atklāja, ka no 2011. līdz 2013. gadam galaktikas strūklas kodols bija kļuvis gaišāks četras reizes.

'Neviena cita mūsu galaktika, ko TANAMI novēroja programmas darbības laikā, nav uzrādījusi tik dramatiskas pārmaiņas,' 2016. gadā sacīja Eduardo Ros no Maksa Planka Radioastronomijas institūta (MPIfR) Vācijā. paziņojums, apgalvojums . Komanda aprēķināja, ka abi notikumi ir saistīti.

'Ņemot vērā visus novērojumus, šķiet, ka blazāram bija līdzekļi, motīvs un iespēja atlaist Lielo putnu neitrīno, kas padara to par mūsu galveno aizdomās turamo,' sacīja Matērijs Kadlers, Vircburgas Universitātes astrofizikas profesors. Vācija. ”

2018. gada jūlijā IceCube paziņoja, ka pirmo reizi ir izsekojis neitrīnus līdz to avotam. Pateicoties nesen uzstādītai brīdinājuma sistēmai, kas tika pārraidīta zinātniekiem visā pasaulē dažu minūšu laikā pēc spēcīga neitrīno kandidāta atklāšanas, 2017. gada septembrī pētnieki varēja ātri pagriezt savus teleskopus jaunā signāla radīšanas virzienā. Fermi brīdināja pētniekus par aktīvu blazāru, kas pazīstams kā TXS-0506+056, tajā pašā debess daļā. Jauni novērojumi apstiprināja, ka blazārs uzliesmo, izstarojot spilgtākus enerģijas pārrāvumus nekā parasti.

Lielākoties TXS ir tipisks blazārs; tas ir viens no 100 spilgtākajiem Fermi atklātajiem blazāriem. Tomēr, lai gan 99 citi ir arī spilgti, viņi nav metuši neitrīnus uz IceCube. Pēdējos mēnešos TXS uzliesmo, izgaismojas un aptumšo pat simts reizes spēcīgāk nekā iepriekšējos gados.

'Izsekojot, ka IceCube noteiktais augstas enerģijas neitrīno atgriežas TXS 0506+056, šī ir pirmā reize, kad mēs esam spējuši identificēt konkrētu objektu kā iespējamo tik augstas enerģijas neitrīno avotu,' Gregorijs Sivakofs no Universitātes Alberta Kanādā, teikts paziņojumā .

IceCube vēl nav pabeigts. Jaunā trauksmes sistēma saglabās astronomus uz pirkstiem arī nākamajos gados. Observatorijas plānotais kalpošanas laiks ir 20 gadi, tāpēc no Dienvidpola observatorijas nāk vēl vismaz desmit gadu neticami atklājumi.