Η επιφανειακή εγκατάσταση για το πείραμα IceCube, το οποίο βρίσκεται κάτω από 1 μίλι (1,6 χιλιόμετρα) πάγου στην Ανταρκτική. Το IceCube προτείνει ότι δεν υπάρχουν ουδέτερα νετρίνα, αλλά ένα νέο πείραμα λέει ότι το κάνουν.
(Εικόνα: © Ευγενική παραχώρηση του Παρατηρητηρίου IceCube Neutrino)
Στην παγωμένη χέρσα περιοχή της Ανταρκτικής βρίσκεται ένας τεράστιος ανιχνευτής σωματιδίων, το Παρατηρητήριο IceCube Neutrino. Όμως η αναζήτηση της επιφάνειας για το όργανο θα αποδειχθεί δύσκολη, επειδή το μεγαλύτερο μέρος του παρατηρητηρίου παγιδεύεται κάτω από τον πάγο. Το διεθνές παρατηρητήριο κυνηγούσε νετρίνα - αζώτα, χωρίς φορτίο σωματίδια που σχεδόν ποτέ δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη. Τώρα, οι παρατηρήσεις του μπορεί να λύσουν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην αστρονομία, απαντώντας στις ερωτήσεις πίσω από την προέλευση των νετρίνων και των κοσμικών ακτίνων.
Το μεγαλύτερο από όλα
Το Παρατηρητήριο IceCube Neutrino καλύπτει ένα κυβικό χιλιόμετρο κοντά στο Νότιο Πόλο. Το όργανο καλύπτει ένα τετραγωνικό χιλιόμετρο της επιφάνειας και εκτείνεται σε βάθος έως 4.920 πόδια (1.500 μέτρα). Είναι ο πρώτος ανιχνευτής νετρίνων gigaton που κατασκευάστηκε ποτέ.
Ενώ οι φωτογραφίες του IceCube δείχνουν συχνά ένα κτίριο που κάθεται στη χιονισμένη επιφάνεια, η πραγματική δουλειά γίνεται παρακάτω. Το πείραμα πολλαπλών χρήσεων περιλαμβάνει έναν πίνακα επιφανειών, IceTop, μια σειρά 81 σταθμών που βρίσκονται πάνω από τις χορδές. Το IceTop χρησιμεύει ως ανιχνευτής βαθμονόμησης για το IceCube, καθώς και για τον εντοπισμό ντους αέρα από πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες, καθώς και για τη ροή και τη σύνθεσή τους.
Ο πυκνός εσωτερικός υπο-ανιχνευτής, το DeepCore, είναι ο πυρήνας του πειράματος IceCube. Κάθε ένας από τους σταθμούς IceTop αποτελείται από συμβολοσειρές που συνδέονται με ψηφιακές οπτικές μονάδες (DOM) που αναπτύσσονται σε ένα εξαγωνικό πλέγμα σε απόσταση 410 πόδια (125 μέτρα). Κάθε σειρά περιέχει 60 DOMs μεγέθους μπάσκετ. Εδώ, βαθιά μέσα στον πάγο, το IceCube είναι σε θέση να κυνηγάει νετρίνα που προέρχονται από τον ήλιο, από τον Γαλαξία μας και από έξω από τον γαλαξία. Αυτά τα φανταστικά σωματίδια συνδέονται με κοσμικές ακτίνες, τα υψηλότερα ενεργειακά σωματίδια που έχουν παρατηρηθεί ποτέ.
[Σχετιζομαι με: Εντοπισμός νετρίνου στην πηγή του: Η ανακάλυψη στις εικόνες]
Μυστηριώδη σωματίδια
Οι κοσμικές ακτίνες ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 1912. Οι ισχυρές εκρήξεις ακτινοβολίας συγκρούονται συνεχώς με τη Γη, ρέοντας από όλα τα μέρη του γαλαξία. Οι επιστήμονες υπολόγισαν ότι τα φορτισμένα σωματίδια πρέπει να σχηματιστούν σε μερικά από τα πιο βίαια και λιγότερο κατανοητά αντικείμενα και γεγονότα στο σύμπαν. Ο εκρηκτικός αστρικός θάνατος ενός αστεριού, ενός σουπερνόβα, παρέχει μια μέθοδο δημιουργίας κοσμικών ακτίνων. οι ενεργές μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών μια άλλη.
Επειδή οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια, ωστόσο, αλληλεπιδρούν με τα μαγνητικά πεδία των αστεριών και άλλων αντικειμένων που περνούν. Τα πεδία στρεβλώνουν και μετατοπίζουν το μονοπάτι των κοσμικών ακτίνων, καθιστώντας αδύνατο για τους επιστήμονες να τα εντοπίσουν πίσω στην πηγή τους.
Εκεί μπαίνουν τα νετρίνα στο παιχνίδι. Όπως οι κοσμικές ακτίνες, τα σωματίδια χαμηλής μάζας πιστεύεται ότι σχηματίζονται μέσω της βίας. Αλλά επειδή τα νετρίνα δεν έχουν καμία επιβάρυνση, περνούν από μαγνητικά πεδία χωρίς να αλλάζουν την πορεία τους, ταξιδεύοντας σε ευθεία γραμμή από την πηγή τους.
"Για το λόγο αυτό, η αναζήτηση των πηγών κοσμικών ακτίνων έχει γίνει επίσης η αναζήτηση για νετρίνα πολύ υψηλής ενέργειας", σύμφωνα με την ιστοσελίδα του IceCube.
Ωστόσο, τα ίδια χαρακτηριστικά που κάνουν τα νετρίνα τόσο καλοί αγγελιοφόροι σημαίνουν επίσης ότι είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Κάθε δευτερόλεπτο, περίπου 100 δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν από μια τετραγωνική ίντσα του σώματός σας. Τα περισσότερα από αυτά προέρχονται από τον ήλιο και δεν είναι αρκετά ενεργητικά ώστε να αναγνωρίζονται από το IceCube, αλλά μερικά είναι πιθανό να έχουν παραχθεί εκτός του Γαλαξία μας.
Ο εντοπισμός νετρίνων απαιτεί τη χρήση πολύ καθαρού υλικού όπως νερό ή πάγος. Όταν ένα μόνο νετρίνο συντρίβει σε ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο μέσα σε ένα άτομο, η προκύπτουσα πυρηνική αντίδραση παράγει δευτερεύοντα σωματίδια που εκπέμπουν ένα μπλε φως γνωστό ως ακτινοβολία Cherenkov.
"Τα νετρίνα που εντοπίζουμε είναι σαν δακτυλικά αποτυπώματα που μας βοηθούν να κατανοήσουμε τα αντικείμενα και τα φαινόμενα όπου παράγονται τα νετρίνα", σύμφωνα με την ομάδα του IceCube.
Δύσκολες καταστάσεις
Ο Νότιος Πόλος μπορεί να μην είναι μακρινός, αλλά φέρνει τις δικές του προκλήσεις. Οι μηχανικοί άρχισαν την κατασκευή τους στο IceCube το 2004, ένα επταετές έργο που ολοκληρώθηκε σύμφωνα με το πρόγραμμα το 2010. Η κατασκευή θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί μόνο για λίγους μήνες κάθε χρόνο, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του Νότιου Ημισφαιρίου, που πραγματοποιείται από το Νοέμβριο έως τον Φεβρουάριο.
Οι βαρετές 86 τρύπες απαιτούσαν έναν ειδικό τύπο τρυπανιού - δύο από αυτές, στην πραγματικότητα. Το πρώτο προχώρησε μέσα από το πρώτο, ένα στρώμα συμπιεσμένου χιονιού, μέχρι περίπου 164 πόδια (50 μέτρα). Στη συνέχεια, ένα τρυπάνι ζεστού νερού υψηλής πίεσης έλιωσε μέσω του πάγου σε ταχύτητες περίπου 2 μέτρων (6,5 πόδια) ανά λεπτό, μέχρι το βάθος των 2.450 μέτρων (8.038 πόδια ή 1,5 μίλια).
«Μαζί, οι δύο ασκήσεις κατάφεραν να παράγουν με συνέπεια σχεδόν τέλειες κάθετες τρύπες έτοιμες για ανάπτυξη οργάνων με ρυθμό μιας τρύπας κάθε δύο ημέρες», σύμφωνα με το IceCube.
Οι χορδές έπρεπε τότε να αναπτυχθούν γρήγορα στο λιωμένο νερό πριν από τον πάγο να παγώσει. Η κατάψυξη χρειάστηκε μερικές εβδομάδες για να σταθεροποιηθεί, μετά την οποία τα όργανα παρέμειναν άθικτα, παγώθηκαν μόνιμα στον πάγο και δεν μπορούσαν να επισκευαστούν. Το ποσοστό αστοχίας των οργάνων ήταν εξαιρετικά αργό, με λιγότερους από 100 από τους 5.500 αισθητήρες προς το παρόν να μην λειτουργούν.
Το IceCube άρχισε να κάνει παρατηρήσεις από την αρχή, ακόμη και όταν αναπτύσσονται άλλες χορδές.
Όταν ξεκίνησε για πρώτη φορά το έργο, οι ερευνητές δεν ήταν σαφείς για το πόσο μακριά θα μπορούσε να ταξιδέψει το φως μέσα στον πάγο, σύμφωνα με τον Halzen. Με αυτές τις πληροφορίες καθιερωμένες, η συνεργασία λειτουργεί προς το IceCube-Gen2. Το αναβαθμισμένο παρατηρητήριο θα προσθέσει περίπου 80 περισσότερες σειρές ανιχνευτών, ενώ η κατανόηση των ιδιοτήτων του πάγου θα επιτρέψει στους ερευνητές να τοποθετήσουν τους αισθητήρες ευρύτερα εκτός από τις αρχικές συντηρητικές εκτιμήσεις τους. Το IceCube-Gen2 πρέπει να διπλασιάσει το μέγεθος του παρατηρητηρίου με περίπου το ίδιο κόστος.
Απίστευτη επιστήμη
Το IceCube άρχισε να κυνηγάει νετρίνα πριν ολοκληρωθεί, παράγοντας αρκετά ενδιαφέροντα επιστημονικά αποτελέσματα.
Μεταξύ Μαΐου 2010 και Μαΐου 2012, ο IceCube παρατήρησε 28 σωματίδια πολύ υψηλής ενέργειας. Ο Halzen απέδωσε την ικανότητα του ανιχνευτή να παρατηρήσει αυτά τα ακραία γεγονότα στην ολοκλήρωση του ανιχνευτή.
"Αυτή είναι η πρώτη ένδειξη για νετρίνα πολύ υψηλής ενέργειας που προέρχονται από έξω από το ηλιακό μας σύστημα, με ενέργειες πάνω από ένα εκατομμύριο φορές αυτές που παρατηρήθηκαν το 1987 σε σχέση με μια σουπερνόβα που παρατηρείται στο Μεγάλο Μαγγελικό Σύννεφο", δήλωσε ο Halzen σε δήλωση. "Είναι ευχάριστο να βλέπουμε επιτέλους τι ψάχνουμε. Αυτή είναι η αυγή μιας νέας εποχής της αστρονομίας."
Τον Απρίλιο του 2012, ένα ζευγάρι νετρίνων υψηλής ενέργειας εντοπίστηκαν και ονομάστηκαν Bert και Ernie, μετά τους χαρακτήρες από την παιδική τηλεοπτική εκπομπή "Sesame Street". Με ενέργειες πάνω από 1 χάρτηelectronvolt (PeV), το ζεύγος ήταν το πρώτο που εντοπίστηκε οριστικά νετρίνα έξω από το ηλιακό σύστημα από το supernova του 1987.
"Είναι μια σημαντική ανακάλυψη", δήλωσε ο Uli Katz, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Ερλάνγκεν-Νυρεμβέργης, στη Γερμανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Νομίζω ότι είναι μία από τις απόλυτες σημαντικές ανακαλύψεις στη φυσική των αστρο-σωματιδίων", δήλωσε ο Katz στο Space.com.
Αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν στο IceCube να απονεμηθεί το Παγκόσμιο Πρωτάθλημα 2013 της Φυσικής.
Ένα άλλο σημαντικό κέρδος ήρθε στις 4 Δεκεμβρίου 2012, όταν το παρατηρητήριο εντόπισε ένα γεγονός που οι επιστήμονες ονόμασαν Big Bird, επίσης από την "Sesame Street". Το Big Bird ήταν ένα νετρίνο με ενέργεια που ξεπερνά τα 2 τετρα δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια βολτ, περισσότερο από ένα εκατομμύριο εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια μιας οδοντικής ακτινογραφίας, συσκευασμένο σε ένα μόνο σωματίδιο με λιγότερο από το ένα εκατοστό του ενός εκατομμυρίου μάζας ενός ηλεκτρονίου. Εκείνη την εποχή, ήταν το νετρίνο με την υψηλότερη ενέργεια που εντοπίστηκε ποτέ. από το 2018, εξακολουθεί να κατατάσσεται δεύτερη.
Με τη βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Fermi Gamma-ray της NASA, οι επιστήμονες έδεσαν το Big Bird με την εξαιρετικά ενεργητική έκρηξη ενός σακάκι γνωστού ως PKS B1424-418. Τα Blazar τροφοδοτούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο ενός γαλαξία. Καθώς η μαύρη τρύπα σπρώχνει το υλικό, ένα μέρος του υλικού εκτρέπεται σε πίδακες που μεταφέρουν τόση ενέργεια που ξεπερνούν τα αστέρια στον γαλαξία. Οι πίδακες επιταχύνουν την ύλη, δημιουργώντας νετρίνα και θραύσματα ατόμων που δημιουργούν κάποιες κοσμικές ακτίνες.
Ξεκινώντας το καλοκαίρι του 2012, το σακάκι έλαμψε μεταξύ 15 και 30 φορές πιο φωτεινό στις ακτίνες γάμμα από το μέσο όρο πριν από την έκρηξη. Ένα μακροπρόθεσμο πρόγραμμα παρατήρησης με την ονομασία TANAMI, το οποίο παρακολουθούσε συνηθισμένα σχεδόν 100 ενεργούς γαλαξίες στο νότιο ουρανό, αποκάλυψε ότι ο πυρήνας του αεριωθούμενου γαλαξία είχε φωτιστεί τέσσερις φορές μεταξύ 2011 και 2013.
"Κανένας από τους γαλαξίες μας που παρατηρήθηκε από τον ΤΑΝΑΜΙ κατά τη διάρκεια της ζωής του προγράμματος δεν έχει δείξει μια τόσο δραματική αλλαγή", δήλωσε ο Eduardo Ros, από το Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας Max Planck (MPIfR) στη Γερμανία. Η ομάδα υπολόγισε ότι τα δύο γεγονότα ήταν συνδεδεμένα.
«Λαμβάνοντας υπόψη όλες τις παρατηρήσεις, το σακάκι φαίνεται να είχε μέσα, κίνητρο και ευκαιρία να πυροδοτήσει το νετρίνο Big Bird, γεγονός που το καθιστά τον πρωταρχικό μας ύποπτο», δήλωσε ο Matthias Kadler, καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Würzburg στο Γερμανία."
Τον Ιούλιο του 2018, η IceCube ανακοίνωσε ότι, για πρώτη φορά, είχε εντοπίσει τα νετρίνα πίσω στο σακάκι πηγής τους. Τον Σεπτέμβριο του 2017, χάρη σε ένα πρόσφατα εγκατεστημένο σύστημα ειδοποίησης που μεταδόθηκε σε επιστήμονες σε όλο τον κόσμο μέσα σε λίγα λεπτά από την ανίχνευση ενός ισχυρού υποψηφίου νετρίνων, οι ερευνητές μπόρεσαν να γυρίσουν γρήγορα τα τηλεσκόπια τους προς την κατεύθυνση από την οποία προήλθε το νέο σήμα. Ο Fermi προειδοποίησε τους ερευνητές για την παρουσία ενός ενεργού σακακιού, γνωστού ως TXS-0506 + 056, στο ίδιο μέρος του ουρανού. Νέες παρατηρήσεις επιβεβαίωσαν ότι το σακάκι ήταν φλεγόμενο, εκπέμποντας φωτεινότερες από τις συνηθισμένες εκρήξεις ενέργειας.
Ως επί το πλείστον, το TXS είναι ένα τυπικό σακάκι. είναι ένα από τα 100 πιο φωτεινά σακάκια που εντοπίστηκαν από τον Fermi. Ωστόσο, ενώ οι 99 άλλοι είναι επίσης φωτεινοί, δεν έχουν ρίξει νετρίνα προς το IceCube. Τους τελευταίους μήνες, το TXS φώτισε, λάμπει και εξασθένιζε όσο εκατό φορές ισχυρότερο από ό, τι τα προηγούμενα χρόνια.
"Η παρακολούθηση του νετρίνου υψηλής ενέργειας που εντοπίστηκε από το IceCube πίσω στο TXS 0506 + 056 το καθιστά την πρώτη φορά που καταφέραμε να αναγνωρίσουμε ένα συγκεκριμένο αντικείμενο ως την πιθανή πηγή ενός τέτοιου νετρίνου υψηλής ενέργειας", δήλωσε ο Gregory Sivakoff, του Πανεπιστημίου της Αλμπέρτα στον Καναδά, δήλωσε σε δήλωση.
Το IceCube δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμα. Το νέο σύστημα συναγερμού θα κρατήσει τους αστρονόμους στα δάχτυλα των ποδιών τους τα επόμενα χρόνια. Το παρατηρητήριο έχει προγραμματισμένη διάρκεια ζωής 20 ετών, οπότε υπάρχει τουλάχιστον μια άλλη δεκαετία απίστευτων ανακαλύψεων που προέρχονται από το παρατηρητήριο του Νότιου Πόλου.
