Sekitar empat bilion tahun yang lalu, apabila planet Bumi masih di peringkat awal, paksi lubang hitam kira-kira satu bilion kali lebih besar daripada matahari terbit menunjukkan ke mana planet kita akan berada pada 22 September 2017.
Sepanjang paksi, jet zarah bertenaga tinggi menghantar foton dan neutrino berlumba ke arah kami di atau berhampiran dengan kelajuan cahaya. Balai Cerap Neutrino IceCube di Kutub Selatan mengesan salah satu daripada zarah subatomik ini - neutrino IceCube-170922A - dan mengarahkannya kembali ke patch kecil langit dalam Orion buruj dan menunjuk sumber kosmik: lubang hitam yang membakar saiz satu bilion matahari, 3.7 bilion tahun cahaya dari Bumi, yang dikenali sebagai blazar TXS 0506 + 056. Blazars telah diketahui sejak sekian lama. Apa yang tidak jelas ialah mereka boleh menghasilkan neutrinos tenaga tinggi. Malah lebih menarik ialah neutrinos seperti yang belum pernah ditelusuri kepada sumbernya.
Menemukan sumber neutrinos tenaga tinggi kosmik untuk kali pertama, yang diumumkan pada 12 Julai 2018 oleh Yayasan Sains Kebangsaan, menandakan permulaan era baru astronomi neutrino. Digunakan sesuai dan dimulakan sejak tahun 1976, apabila ahli fizik perintis mula-mula cuba membina pengesan neutrino tenaga tinggi berskala besar di pantai Hawaii, penemuan IceCube menandakan kesimpulan yang berjaya dalam kempen yang panjang dan sukar oleh beratus-ratus saintis dan jurutera - dan serentak kelahiran cawangan astronomi yang baru.
Buruj Orion, dengan bullseye di lokasi blazar itu. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Pengesanan dua rasul astronomi - neutrinos dan cahaya - adalah demonstrasi yang kuat tentang bagaimana astronomi multimessenger boleh memberikan leverage yang kita perlukan untuk mengenal pasti dan memahami beberapa fenomena yang paling energik di alam semesta. Sejak penemuannya sebagai sumber neutrino kurang dari setahun yang lalu, blazar TXS 0506 + 056 telah menjadi subjek penelitian intensif. Aliran neutrino yang berterusan terus memberikan gambaran yang mendalam ke dalam proses fizikal di tempat kerja berhampiran lubang hitam dan jet zarah dan radiasi yang kuat, bersinar hampir langsung ke Bumi dari lokasinya di luar bahu Orion.
Sebagai tiga ahli sains dalam pasukan fizik dan astronomi global yang terlibat dalam penemuan yang luar biasa ini, kami tertarik untuk mengambil bahagian dalam percubaan ini untuk keberaniannya yang sememangnya, untuk cabaran fizikal dan emosional untuk beralih panjang di lokasi yang brutal sejuk sambil memasukkan mahal, peralatan sensitif ke dalam lubang yang dibor 1.5 batu jauh di dalam ais dan membuat semuanya berfungsi. Dan sememangnya, untuk peluang yang mendebarkan menjadi orang pertama yang melihat ke dalam teleskop jenis yang baru dan melihat apa yang dipaparkan tentang langit.
**********
Pada ketinggian melebihi 9, 000 kaki dan dengan suhu purata musim panas jarang pecah -30 Celcius, Kutub Selatan mungkin tidak menyerang anda sebagai tempat yang ideal untuk melakukan apa-apa, selain membual tentang melawat tempat yang begitu cerah dan terang anda memerlukan pelindung matahari untuk hidung anda. Sebaliknya, sebaik sahaja anda menyedari bahawa ketinggian itu adalah disebabkan oleh lapisan tebal es yang dibuat dari beberapa ratus ribu tahun salji yang asli dan suhu yang rendah telah menyimpannya dengan baik, maka ia tidak akan mengejutkan anda bahawa untuk neutrino pembina teleskop, kelebihan saintifik melebihi persekitaran yang melarang. Kutub Selatan kini menjadi rumah pengesan neutrino terbesar di dunia, IceCube.
Mac 2015: Makmal IceCube di Stesen Amundsen-Scott South Pole, di Antartika, menganjurkan komputer yang mengumpul data mentah dari pengesan. Oleh kerana peruntukan jalur lebar satelit, tahap penstrukturan semula dan penapisan peristiwa pertama berlaku dalam masa sebenar dalam makmal ini. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Ia mungkin kelihatan aneh bahawa kita memerlukan pengesan yang rumit memandangkan kira-kira 100 bilion daripada zarah-zarah asas ini menjurus terus melalui imej kecil anda setiap saat dan meluncur dengan mudah melalui seluruh Bumi tanpa berinteraksi dengan satu atom duniawi.
Malah, neutrinos adalah zarah kedua paling banyak, kedua hanya untuk foton latar belakang mikrob yang tersisa daripada Big Bang. Mereka terdiri daripada satu perempat zarah asas yang diketahui. Namun, kerana mereka tidak berinteraksi dengan perkara lain, mereka boleh dikatakan paling kurang difahami.
Untuk menangkap segelintir zarah sukarela ini, dan untuk mencari sumber mereka, ahli fizik memerlukan pengesan besar - kilometer - yang terbuat dari bahan optik yang jelas - seperti ais. Mujurlah Ibu Alam menyediakan lembaran jernih yang bersih di mana kami dapat membina detektor kami.
Instrumen Observatori Neutrino IceCube mempunyai isipadu kira-kira satu kilometer padu ais es yang jelas dengan 5, 160 modul optik digital (DOM) pada kedalaman antara 1, 450 dan 2, 450 meter. Observatori ini termasuk subdetektor padat, DeepCore, dan susunan pancuran udara permukaan, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Di South Pole, beberapa ratus saintis dan jurutera telah membina dan mengerahkan lebih 5, 000 penembak pelukis individu di 86 lubang berasingan 1.5 batu dalam cair dalam topi ais polar dengan gerudi air panas yang direka khas. Selama tujuh musim musim panas austral kami memasang semua sensor. Arus IceCube dipasang sepenuhnya pada awal tahun 2011 dan telah mengambil data secara berterusan sejak.
Pengesan ais yang terikat dengan ais ini dapat dirasai dengan ketepatan yang sangat besar apabila neutrino mengalir melalui dan berinteraksi dengan beberapa zarah Bumi yang menghasilkan corak cahaya yang terang dari cahaya Cherenkov, diberikan apabila zarah yang dikenakan bergerak melalui medium seperti es pada jarak dekat dengan kelajuan cahaya.
**********
Tumit dari pengesan neutrino adalah bahawa zarah lain, yang berasal dari atmosfer berdekatan, juga boleh mencetuskan corak cahaya Cherenkov ini. Untuk menghapuskan isyarat palsu ini, pengesan dikebumikan jauh di dalam ais untuk menyaring gangguan sebelum dapat mencapai pengesan sensitif. Tetapi walaupun berada di bawah hampir satu batu dari ais pepejal, IceCube masih menghadapi serangan sekitar 2, 500 zarah tersebut setiap saat, yang masing-masing dapat dianggap sebagai neutrino.
Dengan kadar jangkaan interaksi neutrino astrophysical yang sebenar (seperti neutrino masuk dari lubang hitam) yang melayang pada kira-kira satu sebulan, kami menghadapi masalah jarum dalam masalah jerami.
Strategi IceCube adalah untuk melihat hanya pada peristiwa-peristiwa dengan tenaga yang tinggi sehingga mereka tidak mungkin menjadi asal atmosfera. Dengan kriteria pemilihan dan beberapa tahun data, IceCube telah menemui neutrino astrofizikal yang telah lama dicari, tetapi ia tidak dapat mengenalpasti sebarang sumber individu - seperti nuklei galaksi aktif atau letupan sinar gamma - di kalangan beberapa neutrinos tenaga bertenaga tinggi telah ditangkap.
Untuk mengusik sumber sebenar, IceCube mula mengedarkan nota ketibaan neutrino pada April 2016 dengan bantuan daripada Rangkaian Observatori Multimeser Astrophysical di Penn State. Sepanjang 16 bulan ke depan, 11 amaran neutrino IceCube-AMON diedarkan melalui AMON dan Rangkaian Koordinat Rangkaian Gamma, hanya beberapa minit atau beberapa saat selepas dikesan di Kutub Selatan.
Pada 22 September, 2017, IceCube memberi amaran kepada komuniti astronomi antarabangsa mengenai pengesanan neutrino tenaga tinggi. Kira-kira 20 pemerhatian di Bumi dan di ruang angkasa membuat pemerhatian susulan, yang membolehkan pengenal pasti apa yang dikatakan para saintis sebagai sumber neutrinos tenaga yang sangat tinggi dan, dengan demikian, sinar kosmik. Selain neutrinos, pemerhatian yang dibuat merentasi spektrum elektromagnet termasuk sinar gamma, X-ray, dan sinaran optik dan radio. Observatori ini dikendalikan oleh pasukan antarabangsa dengan jumlah lebih daripada 1, 000 saintis disokong oleh agensi pendanaan di negara-negara di seluruh dunia. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Perhatian mencetuskan urutan automatik pemerhatian X-ray dan ultraviolet dengan Observatori Neil Gehrels Swift NASA dan membawa kajian lebih lanjut dengan Teleskop Angkasa Fermi Gamma-Ray NASA dan Teleskop Spekroskopik Array Nuklear NASA, dan 13 pemerhatian lain di seluruh dunia.
Swift adalah kemudahan pertama untuk mengenal pasti blazar flaring TXS 0506 + 056 sebagai sumber kemungkinan peristiwa neutrino. Telescopethen Kawasan Besar Fermi melaporkan bahawa blazar berada di negeri pembakaran, mengeluarkan lebih banyak sinar gamma daripada sebelumnya. Ketika berita itu tersebar, pemerhati lain dengan bersemangat melompat pada kereta muzik dan pelbagai pemerhatian yang berlaku. Teleskop berasaskan tanah MAGIC menyatakan neutrino kami berasal dari rantau yang menghasilkan sinar gamma yang sangat tinggi (setiap kira-kira sepuluh juta kali lebih bertenaga daripada sinar-X), kali pertama seperti kebetulan telah diperhatikan. Pemerhatian optik lain menyelesaikan teka-teki dengan mengukur jarak ke blazz TXS 0506 + 056: kira-kira empat bilion tahun cahaya dari Bumi.
Dengan pengenalpastian sumber neutrino tenaga tinggi kosmik yang pertama, cabang baru di atas pokok astronomi telah tumbuh. Sebagai astronomi neutrino tenaga bertambah tinggi dengan lebih banyak data, koordinasi inter-observatory yang lebih baik, dan pengesan yang lebih sensitif, kita akan dapat memetakan langit neutrino dengan ketepatan yang lebih baik dan lebih baik.
Dan kami menjangkakan kejayaan baru yang menarik dalam pemahaman kita tentang alam semesta untuk mengikuti, seperti: menyelesaikan misteri abad ke-2 asal sinar kosmik yang luar biasa bertenaga; menguji jika jarak masa itu sendiri berbuih, dengan turun naik kuantum pada skala jarak yang sangat kecil, seperti yang diramalkan oleh teori-teori tertentu graviti kuantum; dan memikirkan dengan tepat bagaimana akselerator kosmik, seperti orang-orang di sekitar lubang hitam TXS 0506 + 056, berjaya mempercepatkan zarah-zarah tersebut dengan tenaga yang sangat tinggi.
Selama 20 tahun, Kerjasama IceCube mempunyai impian untuk mengenal pasti sumber neutrino kosmik bertenaga tinggi - dan impian ini kini menjadi kenyataan.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Doug Cowen, Profesor Fizik dan Profesor Astronomi & Astrophysics, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Felo Bidang Sains, Universiti Columbia
Derek Fox, Profesor Madya Astronomi dan Astrophysics, Pennsylvania State University
