Në këtë paraqitje artistike, një blazar po përshpejton protonet që prodhojnë pione, të cilët prodhojnë rrezet neutrinos dhe gamma. Neutrinot janë gjithmonë rezultat i një reagimi hasronik siç është ai i shfaqur këtu. Rrezet e gama mund të prodhohen në të dy bashkëveprimet hadronike dhe elektromagnetike. (ICECUBE / NASA)

Së pari: Një Kozmik: Neutrinot e Energjisë jashtëzakonisht të larta, të gjetura, nga Galaktikat e flakta në të gjithë Universin

Në 1987, zbuluam neutrinot nga një galaktikë tjetër në një supernovë. Pas një pritjeje 30 vjeçare, kemi gjetur diçka edhe më të mirë.

Një nga misteret e mëdha në shkencë është përcaktimi jo vetëm i asaj që është atje, por ajo që krijon sinjalet që zbulojmë këtu në Tokë. Për më shumë se një shekull, ne e kemi ditur që zinxhirët përmes Universit janë rrezet kozmike: grimcat me energji të lartë me origjinë nga përtej galaktikës sonë. Ndërsa disa burime për këto grimca janë identifikuar, shumica dërrmuese e tyre, përfshirë ato që janë më energjike, mbeten një mister.

Ndërsa sot, gjithçka ka ndryshuar. Bashkëpunimi IceCube, më 22 shtator 2017, zbuloi një neutrino me energji ultra të lartë që mbërriti në Polin e Jugut, dhe ishte në gjendje të identifikonte burimin e saj. Kur një seri teleskopësh me rreze gama shikuan në të njëjtin pozicion, ata jo vetëm që panë një sinjal, ata identifikuan një flakërimë, e cila ndodhi të ndizte në atë moment. Më në fund, njerëzimi ka zbuluar të paktën një burim që krijon këto grimca kozmike ultra-energjike.

Kur vrimat e zeza ushqehen me materie, ato krijojnë një disk të akrepit dhe një avion bipolar pingul me të. Kur një avion nga një vrimë e zezë supermasive na drejton, ne e quajmë atë ose një objekt BL Lacertae ose një blazar. Tani ky mendohet të jetë një burim kryesor i rrezet kozmike dhe neutrinot me energji të lartë. (NASA / JPL)

Universi, kudo ku ne shohim, është plot me gjëra për të parë dhe bashkëvepruar. Matështja grumbullohet së bashku në galaktika, yje, planetë dhe madje edhe njerëz. Rrjedhat e rrezatimit nëpër Univers, duke mbuluar tërësinë e spektrit elektromagnetik. Dhe në çdo centimetër kub hapësirë, mund të gjenden qindra grimca fantazmë, të vogla, të njohura si neutrinos.

Të paktën, ato mund të gjenden, nëse bashkëveprojnë me ndonjë frekuencë të konsiderueshme me materien normale që dimë si të manipulojmë. Përkundrazi, një neutrino do të duhej të kalonte një vit të lehtë plumbi për të patur një goditje 50/50 të përplasjes me një grimcë atje. Për dekada pas propozimit të tij në 1930, ne nuk ishim në gjendje të zbulonim neutrinën.

Eksperimenti bërthamor i reaktorit RA-6 (Republika Argjentinë 6), marsa, duke treguar rrezatimin karakteristik Cherenkov nga grimcat më të shpejta se drita në ujë të emetuara. Neutrinot (ose më saktë, antineutrinos) të hipotezuar së pari nga Pauli në 1930 u zbuluan nga një reaktor bërthamor i ngjashëm në 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Në 1956, ne i zbuluam së pari duke vendosur detektorë pikërisht jashtë reaktorëve bërthamorë, me këmbë larg vendit ku prodhohen neutrinot. Në vitet 1960, ne ndërtuam detektorë mjaft të mëdhenj - nëntokë, të mbrojtur nga grimca të tjera ndotëse - për të gjetur neutrinot e prodhuara nga Dielli dhe nga përplasjet e rrezeve kozmike me atmosferën.

Atëherë, në 1987, ishte vetëm serendipity që na dha një supernova aq afër shtëpisë saqë ne mund të zbulonim neutrinot nga ajo. Eksperimentet që vraponin për qëllime krejtësisht të palidhura zbuluan neutrinot nga SN 1987A, duke përdorur në epokën e astronomisë me shumë të dërguar. Neutrinos, me aq sa mund ta tregonim, udhëtuan nëpër Univers me energji të padallueshme nga shpejtësia e dritës.

Mbetja e supernovës 1987a, e vendosur në Re të Mjegullanikut të Madh rreth 165,000 vite dritë larg. Fakti që neutrinot mbërritën disa orë para sinjalit të parë të dritës na mësoi më shumë rreth kohëzgjatjes së dritës për të përhapur nëpër shtresat e yllit të një supernova sesa ajo për sa i përket shpejtësisë së udhëtimit të neutrinove në, gjë që ishte e dallueshme nga shpejtësia e dritës. Neutrinot, drita dhe graviteti duket se të gjithë udhëtojnë me të njëjtën shpejtësi tani. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR)

Për rreth 30 vjet, neutrinot nga ajo supernova ishin neutrinot e vetme që kishim konfirmuar ndonjëherë se ishin jashtë sistemit tonë Diellor, aq më pak galaktikën tonë në shtëpi. Por kjo nuk do të thotë që ne nuk po merrnim neutrinot më të largëta; thjesht do të thoshte që ne nuk mund t'i identifikonim ata me forcë me burimin e njohur në qiell. Edhe pse neutrinot bashkëveprojnë vetëm shumë dobët me materien, ata kanë më shumë të ngjarë të bashkëveprojnë nëse janë më të lartë në energji.

Kjo është ajo ku hyn në vëzhgimin e neutrinës së IceCube.

Observatori i IceCube, Observatori i Parë i Neutrinës në llojin e tij, është krijuar për të vëzhguar këto grimca të pakapshme, me energji të lartë nga poshtë akullit të Antarktikut. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Thellë brenda akullit të Polit Jugor, IceCube mbyll një kilometër kub të materialit të ngurtë, duke kërkuar për këto neutrina gati pa masë. Kur neutrinot kalojnë nëpër Tokë, ekziston mundësia që të ketë një ndërveprim me një grimcë atje. Një ndërveprim do të çojë në një dush të grimcave, të cilat duhet të lënë nënshkrime të pakuptueshme në detektor.

Në këtë ilustrim, një neutrino ka bashkëvepruar me një molekulë akulli, duke prodhuar një grimcë sekondare - një muon - që lëviz me shpejtësi relativiste në akull, duke lënë një gjurmë të dritës blu pas saj. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Në gjashtë vitet që ka kaluar IceCube, ata kanë zbuluar më shumë se 80 neutrale kozmike me energji të lartë me energji mbi 100 TeV: më shumë se dhjetë herë energjitë më të larta të arritura nga çdo grimcë në LHC. Disa prej tyre kanë bërë madje lakimin e shkallës PeV, duke arritur energji mijëra herë më të mëdha se sa është e nevojshme për të krijuar madje edhe më të rëndat e grimcave themelore të njohura.

Megjithatë, përkundër gjithë këtyre neutrinove me origjinë kozmike që kanë mbërritur në Tokë, ne ende nuk i kemi përputhur ato me një burim në qiell që ofron një vendndodhje përfundimtare. Zbulimi i këtyre neutrinove është një veprim i jashtëzakonshëm, por nëse nuk mund t'i ndërlidhim ato me një objekt aktual, të vrojtuar në Univers - për shembull, kjo është gjithashtu e vëzhgueshme në një formë të dritës elektromagnetike - nuk kemi asnjë të dhënë për atë që i krijon ato.

Kur një neutrino bashkëvepron në akullin e qartë të Antarktikut, ajo prodhon grimca sekondare që lënë një gjurmë të dritës blu, ndërsa ata udhëtojnë përmes detektorit të IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Teoricienët nuk kanë pasur asnjë problem të krijojnë ide, duke përfshirë:

  • hipernova, më e mbinatyrshmja nga të gjitha supernovat,
  • plas rrezatimi gama,
  • vrima të zeza,
  • ose quasars, vrima e zezë më e madhe, aktive në Univers.

Por do të duheshin prova për të vendosur.

Një shembull i një ngjarje neutrino me energji të lartë të zbuluar nga IceCube: një neutrino 4.45 PeV që godet detektorin përsëri në vitin 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITETI I WISCONSIN-MADISON)

IceCube ka ndjekur dhe lëshuar lëshime me çdo neutrino me energji ultra të lartë që ata kanë gjetur. Me 22 Shtator 2017, u pa një tjetër ngjarje e tillë: IceCube-170922A. Në lëshimin që doli, ata deklaruan si vijon:

Më 22 Sht, 2017 IceCube zbuloi një ngjarje të ngjashme, me energji shumë të lartë dhe me një probabilitet të lartë për të qenë me origjinë astrofizike. Ngjarja u identifikua nga përzgjedhja e ngjarjeve për rrugën e Elektronisë së Lartë të Energjisë (EHE). Detektori i IceCube ishte në gjendje normale funksionimi. Ngjarjet EHE zakonisht kanë një kulm të ndërveprimit neutrino që është jashtë detektorit, prodhojnë një muon që përshkon vëllimin e detektorit dhe kanë një nivel të lartë të dritës (një përfaqësues për energjinë).
Rrezet kozmike thërrasin grimcat duke goditur protone dhe atome në atmosferë, por ato gjithashtu lëshojnë dritë për shkak të rrezatimit Cherenkov. Duke vëzhguar të dy rrezet kozmike nga qielli dhe neutrinot që godasin Tokën, ne mund të përdorim rastësi për të zbuluar origjinën e të dyjave. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Kjo përpjekje është interesante jo vetëm për neutrinot, por për rrezet kozmike në përgjithësi. Përkundër faktit se kemi parë miliona rreze kozmike të energjive të larta për më shumë se një shekull, ne nuk e kuptojmë se ku burojnë shumica e tyre. Kjo është e vërtetë për protonet, bërthamat dhe neutrinot e krijuara si në burim ashtu edhe përmes kaskadave / dusheve në atmosferë.

Kjo është arsyeja pse është interesante që, së bashku me gatishmërinë, IceCube dha gjithashtu koordinata për vendin ku duhet të kishte origjinën kjo neutrino në qiell, në pozicionin e mëposhtëm:

  • RA: 77.43 deg (-0.80 deg / + 1.30 deg 90% përmbajtje PSF) J2000
  • Dhjetor: 5.72 deg (-0.40 deg / + 0.70 deg 90% përmbajtje PSF) J2000

Dhe kjo i bëri vëzhguesit, duke u përpjekur të kryejnë vëzhgime vijuese në të gjithë spektrin elektromagnetik, te ky objekt.

Përshtypja e artistit për bërthamën aktive galaktike. Vrimë e zezë supermasive në qendër të diskut të akracionit dërgon një hapësirë ​​të ngushtë me energji të lartë të materies në hapësirë, pingul me diskun. Një blazar rreth 4 miliardë vjet dritë larg është origjina e këtyre rrezeve kozmike dhe neutrinove. (DESY, SHKENCA KOMUNIKACIONI LAB)

Ky është një flakërues: një vrimë e zezë supermasive që aktualisht është në gjendje aktive, ushqehet me materie dhe e përshpejton atë me shpejtësi të jashtëzakonshme. Blazaret janë njësoj si kuarcat, por me një ndryshim të rëndësishëm. Ndërsa quasars mund të orientohen në çdo drejtim, një blazar gjithmonë do të ketë një nga avionët e tij drejtuar drejtpërdrejt në Tokë. Ata quhen blazarë sepse ato "flakërojnë" menjëherë.

Ky blazar i veçantë është i njohur si TXS 0506 + 056, dhe kur një mori vëzhgimesh, përfshirë Observatorin Fermi të NASA-s dhe teleskopin MAGIC me bazë tokësore në Ishujt Kanarie, zbuloi rrezet gama që vijnë prej tij menjëherë.

Rreth 20 vëzhgime në Tokë dhe në hapësirë ​​bënë vëzhgime vijuese të vendndodhjes ku IceCube vëzhgoi neutrinën e shtatorit të kaluar, i cili lejonte idenifikimin e asaj që shkencëtarët vlerësojnë se është një burim i neutrinove me energji shumë të lartë dhe, kështu, i rrezeve kozmike. Përveç neutrinos, vëzhgimet e bëra në të gjithë spektrin elektromagnetik përfshinin rrezet gama, rrezet X dhe rrezatimin optik dhe radio. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Jo vetëm kaq, por kur arritën neutrinos, blazar u zbulua se ishte në një gjendje të ndezur, që korrespondon me daljet më aktive që përjeton një objekt i tillë. Që nga daljet kulm dhe ebb, studiuesit e lidhur me IceCube kaluan nëpër një rekord me vlerë një dekade përpara flakërimit të 22 shtatorit 2017, dhe kërkuan çdo ngjarje neutrino që do të vinte nga pozicioni i TXS 0506 + 056.

Gjetja e menjëhershme? Neutrinos mbërriti nga ky objekt në disa shpërthime, duke zgjatur shumë vite. Duke kombinuar vëzhgimet e neutrinës me ato elektromagnetike, ne kemi fuqimisht të aftë të vërtetojmë se neutrinot me energji të lartë prodhohen nga blazarët, dhe që ne kemi aftësinë t'i zbulojmë ato, madje edhe nga një distancë kaq e madhe. TXS 0506 + 056, nëse do të ishit kurioz, ndodhet rreth 4 miliardë vite dritë larg.

Blazar TXS 0506 + 056 është burimi i parë i identifikuar i neutrinove me energji të lartë dhe rrezet kozmike. Ky ilustrim, bazuar në një imazh të Orionit nga NASA, tregon vendndodhjen e blazarit, i vendosur në qiellin e natës, vetëm sipër krahut të majtë të yjësisë Orion. Burimi është rreth 4 miliardë vjet dritë nga Toka. (ICECUBE / NASA / NSF)

Një sasi e jashtëzakonshme mund të mësohet vetëm nga ky vëzhgim një shumë-mesazher.

  • Blazarët janë demonstruar të jenë së paku një burim i rrezeve kozmike.
  • Për të prodhuar neutrinot, keni nevojë për pione që prishen, dhe ato prodhohen nga protone të përshpejtuar.
  • Kjo siguron provën e parë përfundimtare të përshpejtimit të protonit nga vrimat e zeza.
  • Kjo tregon gjithashtu se blazar TXS 0506 + 056 është një nga burimet më të ndritshme në Univers.
  • Më në fund, nga rrezet shoqëruese gamë, mund të jemi të sigurt se neutrinot kozmike dhe rrezet kozmike, të paktën ndonjëherë, kanë një origjinë të përbashkët.
Rrezet kozmike të prodhuara nga burime të lartë të energjisë astrofizike mund të arrijnë në sipërfaqen e Tokës. Kur një rreze kozmike përplaset me një grimcë në atmosferën e Tokës, ajo prodhon një dush të grimcave që mund t'i zbulojmë me vargje në tokë. Më në fund, ne kemi zbuluar një burim kryesor të tyre. (KOLLABORATA ASPERA / ERANET ASTROPARTIKLE)

Sipas Frances Halzen, hetuesi kryesor i Observatorit të Neutrinës IceCube,

Shtë interesante që ekzistonte një konsensus i përgjithshëm në komunitetin e astrofizikës që flakët nuk kishin të ngjarë të ishin burim i rrezeve kozmike, dhe këtu jemi ne ... Aftësia për të teleskopët marshallë globalisht për të bërë një zbulim duke përdorur një larmi gjatesish vale dhe të shoqëruara me një detektor neutrino si IceCube shënon një moment historik në atë që shkencëtarët e quajnë "astronomi me shumë mesazhe".

Epoka e astronomisë me shumë mesazhe është zyrtarisht këtu, dhe tani kemi tre mënyra plotësisht të pavarura dhe plotësuese të shikimit të qiellit: me dritë, me neutrinos dhe me valë gravitacionale. Ne kemi mësuar se blazaret, dikur konsideroheshin si një kandidat i pamundur për gjenerimin e neutrinove me energji të lartë dhe rrezet kozmike, në fakt krijojnë të dy.

Kjo është përshtypja e një artisti për një kuarc të largët 3C 279. Avionët bipolarë janë një tipar i zakonshëm, por është jashtëzakonisht e pazakontë që një avion i tillë të tregohet drejtpërdrejt tek ne. Kur kjo të ndodhë, ne kemi një Blazar, i konfirmuar tani se është një burim i rrezet kozmike me energji të lartë dhe neutrinot me energji ultra të lartë që kemi parë me vite. (ESO / M. KORNMESSER)

Një fushë e re shkencore, ajo e astronomisë neutrino me energji të lartë, zyrtarisht fillon me këtë zbulim. Neutrinot nuk janë më një nënprodukt i ndërveprimeve të tjera, as një kuriozitet kozmik që mezi shtrihet përtej Sistemit tonë Diellor. Përkundrazi, ne mund t'i përdorim ato si një hetim themelor i Universit dhe të ligjeve themelore të vetë fizikës. Një nga qëllimet kryesore në ndërtimin e IceCube ishte identifikimi i burimeve të neutrinove kozmike me energji të lartë. Me identifikimin e blazar TXS 0506 + 056 si burim për të dyja këto neutrinot dhe rrezet gama, kjo është një ëndërr kozmike që më në fund është arritur.

Fillon me një zhurmë tani është në Forbes, dhe ribotuar në Medium falë mbështetësve tanë të Patreon. Ethan është autor i dy librave, Përtej Galaxy, dhe Treknology: The Science of Star Trek nga Tricorder to Warp Drive.