V tomto umeleckom stvárnení blazar urýchľuje protóny, ktoré produkujú pióny, ktoré produkujú neutrína a gama lúče. Neutrína sú vždy výsledkom hadronickej reakcie, ako je tá, ktorá je tu zobrazená. Lúče gama sa môžu vytvárať pri hadrónových aj elektromagnetických interakciách. (Icecube / NASA)

Vesmírne prvé: nájdené neutrína s ultravysokou energiou, z planúcich galaxií po celom vesmíre

V roku 1987 sme v supernove zistili neutrína z inej galaxie. Po 30 rokoch čakania sme našli niečo ešte lepšie.

Jedným z veľkých tajomstiev vedy je nielen určovanie toho, čo je tam vonku, ale aj to, čo vytvára signály, ktoré tu zisťujeme na Zemi. Už viac ako storočie vieme, že zips vesmírom sú kozmické lúče: častice vysokej energie pochádzajúce zďaleka mimo našej galaxie. Aj keď boli identifikované niektoré zdroje týchto častíc, drvivá väčšina z nich, vrátane tých, ktoré sú najenergetickejšie, zostáva záhadou.

Od dnešného dňa sa to všetko zmenilo. Spolupráca IceCube 22. septembra 2017 zistila ultra-vysokoenergetické neutrino, ktoré prišlo na južný pól a bolo schopné identifikovať jeho zdroj. Keď sa séria gama-dalekohľadov pozerala na tú istú pozíciu, nielen videli signál, ale identifikovali aj lupiča, ktorý sa v tom okamihu rozhorel. Nakoniec ľudstvo objavilo aspoň jeden zdroj, ktorý vytvára tieto ultraenergetické kozmické častice.

Keď sa čierne diery živia hmotou, vytvárajú akrečný disk a bipolárny prúd, ktorý je k nemu kolmý. Keď na nás ukazuje prúd zo supermasívnej čiernej diery, nazývame to objekt BL Lacertae alebo blazar. Toto sa teraz považuje za hlavný zdroj kozmických lúčov a vysokoenergetických neutrín. (NASA / JPL)

Vesmír, všade, kam sa pozrieme, je plný vecí, na ktoré sa treba pozerať a pracovať s nimi. Hmota sa zhlukuje do galaxií, hviezd, planét a dokonca aj ľudí. Radiačné prúdy vesmírom pokrývajú celé elektromagnetické spektrum. A v každom kubickom centimetri vesmíru sa nachádzajú stovky strašidelných, maličkých hmôt známych ako neutrína.

Prinajmenšom by sa dali nájsť, keby interagovali s akoukoľvek citeľnou frekvenciou s normálnou hmotou, ktorú vieme manipulovať. Namiesto toho by neutrino muselo prejsť svetelným rokom olova, aby tam malo 50/50 ranu zrážky s časticou. Po desaťročia po svojom návrhu v roku 1930 sme neboli schopní zistiť neutríno.

Jadrový experimentálny reaktor RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, ukazujúci charakteristické Cherenkovove žiarenie z emitovaných častíc, ktoré sú rýchlejšie ako svetlo. Neutrína (alebo presnejšie antineutrína), ktoré Pauli prvýkrát predpokladal v roku 1930, boli zistené z podobného jadrového reaktora v roku 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

V roku 1956 sme ich prvýkrát zistili zriadením detektorov priamo pred jadrovými reaktormi, len pár metrov od miesta, kde sa vyrábajú neutrína. V 60. rokoch sme postavili dostatočne veľké detektory - podzemné, chránené pred inými kontaminujúcimi časticami - na nájdenie neutrín produkovaných Slnkom a zrážkami kozmického žiarenia s atmosférou.

Potom, v roku 1987, to bola len serendipity, ktorá nám poskytla supernovu tak blízko domova, že sme z nej dokázali zistiť neutrína. Experimenty prebiehajúce na úplne nesúvisiace účely detegovali neutrína zo SN 1987A a uviedli sa do éry multimislerovej astronómie. Neutrinos, ako sme vedeli, cestovali vesmírom energiami, ktoré sa nedajú odlíšiť od rýchlosti svetla.

Zvyšok supernovy 1987a, ktorý sa nachádza vo Veľkom Magellanovom mračne vzdialenom asi 165 000 svetelných rokov. Skutočnosť, že neutrína dorazila hodiny pred prvým svetelným signálom, nás naučila viac o dobe, počas ktorej sa svetlo šíri cez vrstvy hviezdy supernovy, ako o rýchlosti, ktorou neutrína prechádzajú, čo bolo nerozoznateľné od rýchlosti svetla. Neutrína, svetlo a gravitácia sa teraz zdajú všetkým cestujúcim rovnakou rýchlosťou. (NOEL CARBONI & FOTOSHOP ESA / ESO / NASA vyhovuje LIBERÁTORA)

Asi 30 rokov boli neutrína z tejto supernovy jedinými neutrínmi, o ktorých sme kedy dokázali, že sú mimo našej vlastnej Slnečnej sústavy, oveľa menej našej domácej galaxie. To však neznamená, že sme nedostávali vzdialenejšie neutrína; jednoducho to znamenalo, že sme ich nedokázali spoľahlivo identifikovať so žiadnym známym zdrojom na oblohe. Aj keď neutrína interagujú s látkou iba veľmi slabo, je pravdepodobnejšie, že interagujú, ak majú vyššiu energiu.

Tam prichádza observatórium IceCube neutrino.

Observatórium IceCube, prvé neutrínové observatórium svojho druhu, je navrhnuté tak, aby pozorovalo tieto nepolapiteľné vysokoenergetické častice pod antarktickým ľadom. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Hlboko v ľadovom južnom póle uzatvára IceCube kubický kilometer pevného materiálu a hľadá tieto neutrína takmer bezhmotné. Keď neutrína prechádzajú Zemou, existuje šanca, že tam bude interakcia s časticou. Interakcia povedie k sprche častíc, ktorá by mala v detektore zanechať nezameniteľné podpisy.

Na tomto obrázku neutrino interagovalo s molekulou ľadu a vytváralo sekundárnu časticu - mión -, ktorá sa pohybuje v ľade relativistickou rýchlosťou a zanecháva za sebou stopu modrého svetla. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Za šesť rokov, v ktorých IceCube beží, detegovali viac ako 80 vysokoenergetických kozmických neutrín s energiami nad 100 TeV: viac ako desaťkrát najvyššia energia dosiahnutá akýmikoľvek časticami na LHC. Niektorí z nich dokonca prelomili stupnicu PeV a dosiahli tisícky energie viac, ako je potrebné na vytvorenie najťažších známych základných častíc.

Napriek všetkým týmto neutrinám kozmického pôvodu, ktoré dorazili na Zem, sme ich ešte nikdy nezhodovali so zdrojom na oblohe, ktorý ponúka definitívne umiestnenie. Detekcia týchto neutrín je obrovským činom, ale pokiaľ ich nedokážeme korelovať so skutočným pozorovaným objektom vo vesmíre - napríklad, ktorý je tiež pozorovateľný v nejakej forme elektromagnetického svetla - nemáme potuchy, čo ich vytvára.

Keď neutrino interaguje s čírym antarktickým ľadom, vytvára sekundárne častice, ktoré zanechávajú stopy modrého svetla, keď prechádzajú detektorom IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Teoretici nemali problém prísť s nápadmi vrátane:

  • hypernovae, najsvetlejšia zo všetkých supernov,
  • výbuchy gama lúčov,
  • horiace čierne diery,
  • alebo kvázary, najväčšie aktívne čierne diery vo vesmíre.

Ale bolo by potrebné, aby sme sa rozhodli.

Príklad vysokoenergetickej neutrínovej udalosti zistenej spoločnosťou IceCube: neutríno 4.45 PeV, ktoré zasiahlo detektor späť v roku 2014. (ICECUBE JUHOVÝ POLE NEUTRINO POZOROVATEĽ / NSF / UNIVERZITA WISCONSIN-MADISON)

IceCube sleduje a vydáva správy s každým ultra-vysoko energetickým neutrínom, ktoré našli. 22. septembra 2017 sa uskutočnila ďalšia takáto udalosť: IceCube-170922A. Vo vydaní, ktoré vyšlo, uviedli toto:

22. septembra 2017 IceCube zistil traťovú, veľmi energetickú udalosť s vysokou pravdepodobnosťou astrofyzikálneho pôvodu. Udalosť bola identifikovaná výberom udalostí pre mimoriadne vysokú energiu (EHE). Detektor IceCube bol v normálnom prevádzkovom stave. Udalosti EHE majú typicky vrchol neutrínovej interakcie, ktorý je mimo detektor, vytvára mión, ktorý prechádza objemom detektora a má vysokú úroveň osvetlenia (proxy pre energiu).
Kozmické lúče sprchujú častice údermi protónov a atómov v atmosfére, ale tiež vyžarujú svetlo v dôsledku Cherenkovovej radiácie. Pozorovaním kozmických lúčov z oblohy a neutrín, ktoré zasiahnu Zem, môžeme použiť náhody, aby sme odhalili pôvod oboch. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Toto úsilie je zaujímavé nielen pre neutrína, ale všeobecne pre kozmické lúče. Napriek tomu, že sme videli milióny kozmických lúčov s vysokou energiou viac ako storočie, nechápeme, odkiaľ pochádza väčšina z nich. To platí pre protóny, jadrá a neutrína, ktoré sa vytvárajú pri zdroji aj prostredníctvom kaskád / spŕch v atmosfére.

Preto je fascinujúce, že spolu s výstrahou, IceCube tiež dala súradnice, kde by toto neutrino malo pochádzať z neba, na tejto pozícii:

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

A to viedlo pozorovateľov, ktorí sa pokúšali vykonávať následné pozorovania v elektromagnetickom spektre, k tomuto objektu.

Umelecký dojem aktívneho galaktického jadra. Supermasívna čierna diera v strede akrečného disku vysiela úzky vysokoenergetický prúd hmoty do vesmíru, kolmý na disk. Blazar vzdialený asi 4 miliardy svetelných rokov je pôvodom týchto kozmických lúčov a neutrín. (ŽIADAJTE, VEDECKÁ KOMUNIKAČNÁ ŠTÍTKA)

Toto je brazár: superhmotná čierna diera, ktorá je v súčasnosti v aktívnom stave, ktorá sa živí hmotou a zrýchľuje ju na obrovské rýchlosti. Blazars sú ako kvázari, ale s jedným dôležitým rozdielom. Zatiaľ čo kvazary môžu byť orientované akýmkoľvek smerom, blazar bude mať vždy jednu zo svojich trysiek namierenú priamo na Zem. Hovorí sa im blazary, pretože „požiaru“ priamo na vás.

Tento konkrétny lupič je známy ako TXS 0506 + 056, a keď niekoľko observatórií, vrátane observatória Fermi NASA a pozemného ďalekohľadu MAGIC na Kanárskych ostrovoch, okamžite z neho detegovalo gama lúče.

Približne 20 observatórií na Zemi a vo vesmíre uskutočnilo následné pozorovania miesta, kde IceCube pozoroval minuloročné neutrino, čo umožnilo identifikáciu toho, čo vedci považujú za zdroj neutrín s veľmi vysokou energiou, a teda kozmických lúčov. Okrem neutrín zahŕňajú pozorovania naprieč elektromagnetickým spektrom gama lúče, röntgenové lúče a optické a rádiové žiarenie. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Nielen to, ale keď prišli neutrína, zistilo sa, že blazar je v horúcom stave, čo zodpovedá najaktívnejším odtokom, ktoré takýto objekt zažije. Keďže vrcholy odlivu a odlivu odchádzajú, vedci pridružení k IceCube prešli rekordmi v hodnote desať rokov pred vzplanutím 22. septembra 2017 a hľadali akékoľvek neutrínové udalosti, ktoré by vznikli z pozície TXS 0506 + 056.

Okamžité zistenie? Neutrína prišli z tohto objektu niekoľkokrát a trvali mnoho rokov. Kombináciou neutrínových pozorovaní s elektromagnetickými pozorovaniami sa nám podarilo dokázať, že vysokoenergetické neutrína sú produkované blazármi a že ich máme schopné detegovať aj z takej veľkej vzdialenosti. TXS 0506 + 056, ak ste boli zvedaví, sa nachádza asi 4 miliardy svetelných rokov.

Blazar TXS 0506 + 056 je prvý identifikovaný zdroj vysokoenergetických neutrín a kozmických lúčov. Tento obrázok, založený na obrázku Oriona od NASA, ukazuje umiestnenie blazaru, ktorý sa nachádza na nočnej oblohe hneď za ľavým ramenom súhvezdia Orion. Zdroj je asi 4 miliardy svetelných rokov od Zeme. (Icecube / NASA / NSF)

Z tohto jediného pozorovania viacerých správ je možné získať obrovské množstvo.

  • Ukázalo sa, že lúče sú aspoň jedným zdrojom kozmického žiarenia.
  • Na výrobu neutrín potrebujete rozpadajúce sa pióny a tie sú produkované zrýchlenými protónmi.
  • Toto poskytuje prvý definitívny dôkaz zrýchlenia protónov čiernymi dierami.
  • To tiež dokazuje, že blazar TXS 0506 + 056 je jedným z najsvetelnejších zdrojov vo vesmíre.
  • Nakoniec, zo sprievodných gama lúčov si môžeme byť istí, že kozmické neutrína a kozmické lúče majú aspoň niekedy spoločný pôvod.
Kozmické lúče produkované vysokoenergetickými zdrojmi astrofyziky sa môžu dostať na zemský povrch. Keď sa kozmický lúč zráža s časticou v zemskej atmosfére, vytvára sprchu častíc, ktoré môžeme zistiť pomocou polí na zemi. Nakoniec sme odhalili ich hlavný zdroj. (ASPERA COLLABORATION / ASTROPARTICLE ERANET)

Podľa Frances Halzen, hlavnej vyšetrovateľky neutrínového observatória IceCube,

Je zaujímavé, že v astrofyzikálnej komunite bol všeobecný konsenzus, že lúče pravdepodobne nie sú zdrojmi kozmického žiarenia, a my sme tu ... Schopnosť maršovať ďalekohľady na celom svete, aby zistili pomocou rôznych vlnových dĺžok a spojili sa s neutrínovým detektorom ako IceCube predstavuje míľnik v tom, čo vedci označujú ako „astronómia viacerých správcov“.

Oficiálne je tu éra vesmírnej astronómie, a teraz máme tri úplne nezávislé a vzájomne sa doplňujúce spôsoby pohľadu na oblohu: so svetlom, neutrínmi a gravitačnými vlnami. Dozvedeli sme sa, že lúče, ktoré sa kedysi považovali za nepravdepodobného kandidáta na výrobu vysokoenergetických neutrín a kozmických lúčov, v skutočnosti vytvárajú oboje.

Toto je umelecký dojem vzdialeného kvasaru 3C 279. Bipolárne trysky sú bežnou črtou, ale je mimoriadne neobvyklé, aby sa taký prúd namieril priamo na nás. Keď k tomu dôjde, máme Blazara, o ktorom sa teraz potvrdilo, že je zdrojom vysokoenergetického kozmického žiarenia a ultra-vysokoenergetických neutrín, ktoré sme už roky videli. (ESO / M. KORNMESSER)

Týmto objavom sa oficiálne začína nové vedecké pole, vysokoenergetická neutrínová astronómia. Neutrína už nie sú vedľajším produktom iných interakcií ani kozmickej zvedavosti, ktorá sotva presahuje našu slnečnú sústavu. Namiesto toho ich môžeme použiť ako základnú sondu vesmíru a základných zákonov fyziky samotnej. Jedným z hlavných cieľov pri budovaní IceCube bolo identifikovať zdroje vysokoenergetických kozmických neutrín. Vďaka identifikácii blazarového TXS 0506 + 056 ako zdroja pre tieto neutrína a gama lúčov je to jeden kozmický sen, ktorý sa konečne dosiahol.

Začíname s A Bang je teraz na Forbes a znovu publikovaný na Medium vďaka našim podporovateľom Patreonu. Ethan je autorom dvoch kníh Beyond the Galaxy a Treknology: Science of Star Trek od Tricorders po Warp Drive.