מדענים מסבירים את הריגוש לגילוי נויטרנו מגלקסיה רחוקה

לפני כארבעה מיליארד שנה, כאשר כוכב הלכת כדור הארץ היה עדיין בחיתוליו, ציר החור השחור שהיה מסיבי פי מיליארד מכפי שהשמש הצביע ממש למקום בו עמד כוכב הלכת שלנו להיות ב -22 בספטמבר 2017.

לאורך הציר סילון אנרגיה גבוהה של חלקיקים שלח פוטונים ונייטרינו שועטים לכיווננו במהירות האור או בסמוך לה. מצפה הכוכבים נייטרינו IceCube בקוטב הדרומי זיהה את אחד החלקיקים התת-אטומיים הללו - נייטרינו IceCube-170922A, והתחקה אחר כך לכתם שמים קטן בקבוצת הכוכבים אוריון והצביע על המקור הקוסמי: חור שחור מתלקח בגודל מיליארד. שמשות, 3.7 מיליארד שנות אור מכדור הארץ, המכונות בלייזר TXS 0506 + 056. בלזארים ידועים מזה זמן. מה שלא היה ברור היה שהם יכולים לייצר נייטרינו בעל אנרגיה גבוהה. אפילו יותר מלהיב היה נויטרנו שכזה שמעולם לא הוחלף במקורו.

מציאת המקור הקוסמי של נייטרינו בעלי אנרגיה גבוהה לראשונה, שהוכרז ב- 12 ביולי 2018 על ידי הקרן הלאומית למדע, מציין את שחר עידן חדש של אסטרונומיה נויטרנו. תגליתו של אייס קיוב סימנה את המסקנה הניצחתית של קמפיין ארוך וקשה של מאות רבות של מדענים ומהנדסים - וחתמה אחר התקפות ומתחילה מאז 1976, אז פיסיקאים חלוצים ניסו לבנות גלאי נייטרינו אנרגיה גבוהה בקנה מידה גדול. בו זמנית לידתו של ענף אסטרונומיה חדש לחלוטין.

קבוצת הכוכבים של אוריון, עם בולז על מיקום הבלייזר. (סילביה בראבו גאלארט / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND)

איתורם של שני מסרים אסטרונומיים מובחנים - נייטרינים ואור - הוא הדגמה עוצמתית לאופן שבו מה שמכונה אסטרונומיה multimessenger יכולה לספק את המנוף הדרוש לנו כדי לזהות ולהבין כמה מהתופעות האנרגטיות ביותר ביקום. מאז התגלה כמקור נייטרינו לפני פחות משנה, Blazar TXS 0506 + 056 היה נושא לבדיקה אינטנסיבית. זרם הניוטרינו המשויך אליו ממשיך לספק תובנות עמוקות על התהליכים הפיזיים בעבודה בסמוך לחור השחור וסילון החלקיקים והקרינה העוצמתי שלו, קרן כמעט ישירות לכדור הארץ ממיקומו ממש ליד כתף אוריון.

כשלושה מדענים בצוות עולמי של פיסיקאים ואסטרונומים המעורבים בתגלית מדהימה זו, אנו נמשכים להשתתף בניסוי זה בגלל החוצפה העצומה שלו, למען האתגר הפיזי והרגשי של עבודה במשמרות ארוכות במקום קר באכזריות תוך הכנסת יקר, ציוד רגיש לחורים שנקדחו במרחק של קילומטר וחצי בעומק הקרח וגורם לו לעבוד. וכמובן, להזדמנות המרגשת להיות האנשים הראשונים שמציגים טלסקופ מסוג חדש לגמרי ולראות מה הוא חושף בשמים.

**********

בגובה העולה על 9, 000 רגל ועם טמפרטורות קיץ ממוצעות לעיתים רחוקות שובר צלזיוס -30 צלזיוס, הקוטב הדרומי עלול לא להכות בך כמקום האידיאלי לעשות כלום, מלבד להתרברב בביקור במקום שמש כל כך בהיר שאתה צריך קרם הגנה לנחירייך. מצד שני, ברגע שתבינו שהגובה נובע מכיסוי עבה של קרח אולטרה-יבש העשוי מכמה מאות אלפי שנים של שלג בתולי ושהטמפרטורות הנמוכות שמרו על כל הקפוא יפה, אולי זה לא יפתיע אתכם לגבי נייטרינו בוני טלסקופים, היתרונות המדעיים עולים על הסביבה האוסרת. הקוטב הדרומי הוא כיום ביתו של גלאי הנייטרינו הגדול בעולם, IceCube.

מרץ 2015: מעבדת IceCube בתחנת הקוטב הדרומית אמונדסן-סקוט, באנטארקטיקה, מארחת את המחשבים האוספים נתונים גולמיים מהגלאי. בשל הקצאות רוחב הפס הלוויין, הרמה הראשונה של שחזור וסינון אירועים מתרחשת בזמן אמת כמעט בזמן במעבדה זו. (אריק בייזר, IceCube / NSF)

זה אולי נראה מוזר שאנו זקוקים לגלאי כל כך מורכב בהתחשב בעובדה שכמאה מיליארד חלקיקים מהיסוד האלו עוברים ישר דרך התמונה הממוזערת שלך בכל שנייה ומחליקים ללא מאמץ בכל כדור הארץ מבלי ליצור אינטראקציה עם אטום ארצי אחד.

למעשה, נייטרינו הוא החלקיקים השני בכל מקום, שנייה רק ​​לצילומי הרקע הקוסמיים של המיקרוגל שנותרו מהמפץ הגדול. הם מהווים רבע מחלקיקי היסוד הידועים. עם זאת, מכיוון שהם בקושי מקיימים אינטראקציה עם חומר אחר, הם ללא ספק הכי פחות מובנים.

כדי לתפוס קומץ של חלקיקים חמקמקים אלה ולגלות את מקורותיהם, פיזיקאים זקוקים לגלאים גדולים ברוחב הקילומטר העשויים מחומר צלול אופטי - כמו קרח. למרבה המזל אמא טבע סיפקה את לוח הקרח הצלול הזה שבו נוכל לבנות את הגלאי שלנו.

מצפה הכוכבים IceCube Neutrino מכיל נפח של קוב קוביות אחד של קרח אנטארקטי צלול עם 5, 160 מודולים אופטיים דיגיטליים (DOM) בעומקים שבין 1, 450 ל -2, 450 מטר. מצפה הכוכבים כולל תת-מגן בעל כוונון צפוף, DeepCore, ומערך מקלחת אויר על פני השטח, IceTop. (פליפה פדררוס, IceCube / NSF)

בקוטב הדרומי כמה מאות מדענים ומהנדסים הקימו ופרסו מעל 5, 000 חיישני פוטוש בודדים ב -86 חורים עמוקים של מטר וחצי שנמסו בכומת הקרח הקוטבית בעזרת מקדחה המיועדת למים חמים. במהלך שבע עונות קיץ אוסטרליות התקנו את כל החיישנים. מערך IceCube הותקן במלואו בתחילת 2011 והוא לוקח נתונים ברציפות מאז.

מערך זה של גלאים כבולי קרח יכול לחוש בדיוק רב כאשר נייטרינו עף ומתקשר עם כמה חלקיקים ארציים המייצרים דפוסים עמומים של אור צ'רנקוב כחלחל, המוותר כשהחלקיקים הטעונים עוברים דרך בינוני כמו קרח קרוב למהירות האור.

**********

עקב אכילס של גלאי נייטרינו הוא שחלקיקים אחרים, שמקורם באטמוספרה הסמוכה, יכולים להפעיל דפוסים אלה של אור צ'רנקוב כחלחל. כדי לחסל את האותות השגויים האלה, הגלאים קבורים עמוק בקרח כדי לסנן הפרעות לפני שהם יכולים להגיע לגלאי הרגיש. אך למרות היותו מתחת לקילומטר של קרח מוצק, IceCube עדיין מתמודד עם הסתערות של כ -2, 500 חלקיקים כאלה בכל שנייה, שכל אחד מהם יכול היה להיות באופן סביר בגלל נייטרינו.

עם השיעור הצפוי של אינטראקציות נויטרנו-אסטרופיזיות מעניינות, אמיתיות (כמו נייטרינו נכנסים מחור שחור) המרחפות בערך אחת לחודש, עמדנו בפני בעיית מחט-בתוך-חציר מפחידה.

אסטרטגיית IceCube היא להסתכל רק על אירועים בעלי אנרגיה כה גבוהה שהם לא סבירים כי הם מקורם באטמוספרי. עם קריטריוני הבחירה הללו וכמה שנים של נתונים, IceCube גילה את הנייטרינים האסטרופיזיים שחיפשה זה מכבר, אך היא לא הצליחה לזהות אף מקורות פרטניים - כמו גרעינים גלקטיים פעילים או התפרצויות קרני גאמה - בין כמה עשרות נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה שהיא כבש.

כדי להקניט מקורות בפועל, IceCube החלה להפיץ התראות הגעה על נויטרנו באפריל 2016 בעזרת רשת המצפה האסטרופיסית Multimessenger ברשת פן סטייט. במהלך 16 החודשים הקרובים, הופצו 11 התראות על נייטרינו של IceCube-AMON באמצעות AMON ורשת הקואורדינטות של קרני הגמא, דקות או שניות בלבד לאחר שהתגלו בקוטב הדרומי.

ב- 22 בספטמבר 2017, IceCube התריע בפני קהילת האסטרונומיה הבינלאומית על איתור נייטרינו בעל אנרגיה גבוהה. כ -20 מצפי תצפית בכדור הארץ ובחלל ערכו תצפיות מעקב, שאיפשרו זיהוי של מה שמדענים רואים כמקור לניוטרינו אנרגיה גבוהה מאוד, ובכך, לקרניים קוסמיות. מלבד נייטרינו, התצפיות שנערכו על פני הספקטרום האלקטרומגנטי כללו קרני גאמה, קרני רנטגן, וקרינת אופטי ורדיו. מצפים אלה מנוהלים על ידי צוותים בינלאומיים עם סכום כולל של יותר מאלף מדענים הנתמכים על ידי סוכנויות מימון במדינות ברחבי העולם. (ניקול ר פולר / NSF / IceCube)

**********

ההתראות הפעילו רצף אוטומטי של תצפיות רנטגן ואולטרה סגול עם מצפה הכוכבים Neil Gehrels Swift של נאס"א והובילו למחקרים נוספים עם טלסקופ החלל פרמה גמא-ריי של נאס"א ומערך הטלסקופ הספקטרוסקופי הגרעיני, ו -13 מצפים נוספים ברחבי העולם.

סוויפט הייתה המתקן הראשון שזיהה את ה- BLZAR הבוהק TXS 0506 + 056 כמקור אפשרי לאירוע הנייטרינו. הטלסקופטן פרמי שטח גדול דיווח כי הלייזר היה במצב מתרחש, ופולט קרני גאמה רבות יותר ממה שהיה בעבר. ככל שהתפשטה החדשות, מצפים אחרים קפצו בהתלהבות על העגלה והתפתח מגוון רחב של תצפיות. הטלסקופ מבוסס-הקרקע MAGIC ציין שהנייטרינו שלנו הגיע מאזור המייצר קרני גאמה אנרגיות גבוהות מאוד (כל אחת מהן עשירית פי עשרה אנרגטית יותר מאשר צילום רנטגן), הפעם הראשונה שצפוי במקרה כזה. תצפיות אופטיות אחרות השלימו את הפאזל על ידי מדידת המרחק לבלזר TXS 0506 + 056: כארבעה מיליארד שנות אור מכדור הארץ.

עם הזיהוי הראשון אי פעם של מקור קוסמי של נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה, נבט ענף חדש על עץ האסטרונומיה. ככל שאסטרונומיה נייטרינו גבוהה אנרגטית תגדל עם יותר נתונים, שיפור בתיאום בין מצפיות וגלאים רגישים יותר, נוכל למפות את שמי הנייטרינו בדיוק ויותר טוב.

ואנחנו מצפים שפריצות דרך חדשות ומרתקות בהבנתנו את היקום יבואו בעקבותיה, כמו: פתרון התעלומה בת המאה של מקורן של קרניים קוסמיות קוסמטיות להפליא; לבדוק אם המרחב עצמו מוקצף, עם תנודות קוונטיות בסקולות מרחק קטנות מאוד, כפי שניבאו תיאוריות מסוימות של כוח הכבידה הקוונטי; ולמד כיצד בדיוק מאיצים קוסמיים, כמו הסובבים את החור השחור TXS 0506 + 056, מצליחים להאיץ חלקיקים לאנרגיות כה עוצרות נשימה.

במשך 20 שנה היה לשיתוף הפעולה ב- IceCube חלום לזהות את המקורות של נייטרינו קוסמי-אנרגיה גבוהה - והחלום הזה הוא עכשיו מציאות.

מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.

דאג קוון, פרופסור לפיזיקה ופרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיסיקה, אוניברסיטת מדינת פנסילבניה

אזאדה קיוואני, גבולות עמית המדע, אוניברסיטת קולומביה

דרק פוקס, פרופסור חבר לאסטרונומיה ואסטרופיסיקה, אוניברסיטת מדינת פנסילבניה