For rundt fire milliarder år siden, da planeten Jorden fremdeles var i sin spede begynnelse, skjedde aksen til et svart hull som var omtrent en milliard ganger massivere enn solen, og rettet mot stedet der planeten vår skulle være den 22. september 2017.
Langs aksen sendte en høyenergi-jetstråle av partikler fotoner og nøytrinoer som kjørte i vår retning med eller nær lysets hastighet. IceCube Neutrino-observatoriet på Sydpolen oppdaget en av disse subatomære partiklene - IceCube-170922A neutrino - og sporet den tilbake til en liten himmellapp i stjernebildet Orion og presiserte den kosmiske kilden: et fakkelende svart hull på størrelse med en milliard soler, 3, 7 milliarder lysår fra Jorden, kjent som blazar TXS 0506 + 056. Blazars har vært kjent om i noen tid. Det som ikke var klart, var at de kunne produsere nøytrinoer med høy energi. Enda mer spennende var slike nøytrinoer aldri før blitt sporet til kilden.
Å finne den kosmiske kilden til nøytrinoer med høy energi for første gang, kunngjort 12. juli 2018 av National Science Foundation, markerer begynnelsen på en ny epoke med nøytrino-astronomi. Forfulgt etter passer og starter siden 1976, da banebrytende fysikere først prøvde å bygge en storskala høyenergi-nøytrino-detektor utenfor Hawaii-kysten, markerer IceCubes oppdagelse den seirende avslutningen på en lang og vanskelig kampanje av mange hundre forskere og ingeniører - og samtidig fødselen av en helt ny gren av astronomi.
Konstellasjonen Orion, med en bullseye på stedet for blazaren. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Oppdagelsen av to distinkte astronomiske budbringere - nøytrinoer og lys - er en kraftig demonstrasjon av hvordan såkalt multimessenger-astronomi kan gi den gearing vi trenger for å identifisere og forstå noen av de mest energiske fenomenene i universet. Siden oppdagelsen som en nøytrino-kilde for mindre enn ett år siden, har blazar TXS 0506 + 056 vært gjenstand for intensiv kontroll. Den tilhørende strømmen av nøytrino gir fortsatt dyp innsikt i de fysiske prosessene som er i arbeid i nærheten av det sorte hullet og dets kraftige stråle av partikler og stråling, som strålte nesten rett mot Jorden fra sin beliggenhet like ved skulderen til Orion.
Som tre forskere i et globalt team av fysikere og astronomer som var involvert i denne oppsiktsvekkende oppdagelsen, ble vi dratt til å delta i dette eksperimentet for dets røde, for den fysiske og emosjonelle utfordringen ved å jobbe lange skift på et brutalt kaldt sted mens vi setter inn dyre, følsomt utstyr i hull som bores 1, 5 miles dypt i isen og får det hele til å fungere. Og selvfølgelig for den spennende muligheten til å være de første menneskene som titter inn i en helt ny type teleskop og se hva det røper om himmelen.
**********
I en høyde over 9000 fot og med gjennomsnittlige sommertemperaturer som sjelden bryter en frisid -30 Celsius, er kanskje ikke Sydpolen deg som det ideelle stedet å gjøre noe, bortsett fra å skryte av å besøke et sted som er så solrikt og lyst du trenger solkrem for neseborene dine. Når du derimot er klar over at høyden skyldes et tykt lag med ultrapure is laget av flere hundre tusen år med uberørt snøfall, og at de lave temperaturene har holdt det hele frosne, kan det ikke overraske deg at for neutrino teleskopbyggere, de vitenskapelige fordelene oppveier det forbudende miljøet. Sydpolen er nå hjemmet til verdens største nøytrino-detektor, IceCube.
Mars 2015: IceCube Laboratory på South Pole Station Amundsen-Scott, i Antarktis, er vert for datamaskinene som samler inn rå data fra detektoren. På grunn av tildelinger av båndbredde for satellitt skjer det første nivået av gjenoppbygging og hendelsesfiltrering i nær sanntid i dette laboratoriet. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Det kan virke rart at vi trenger en så omfattende detektor, gitt at rundt 100 milliarder av disse grunnleggende partiklene sashay rett gjennom miniatyrbildet hvert sekund og glir uanstrengt gjennom hele jorden uten å samhandle med et eneste jordisk atom.
Faktisk er nøytrinoer de nest mest allestedsnærværende partiklene, andre bare til de kosmiske mikrobølgebakgrunnen fotonene som er igjen fra Big Bang. De utgjør en fjerdedel kjente grunnleggende partikler. Likevel, fordi de knapt samhandler med andre saker, er de uten tvil den minst godt forståtte.
For å fange en håndfull av disse unnvikende partiklene, og for å oppdage kildene deres, trenger fysikere store - kilometer brede - detektorer laget av et optisk klart materiale - som is. Heldigvis ga Moder Natur denne uberørte platen med klar is der vi kunne bygge detektoren vår.
IceCube Neutrino Observatory instrumenterer et volum på omtrent en kubikk kilometer med klar Antarktis-is med 5.160 digitale optiske moduler (DOM) på dybder mellom 1.450 og 2.450 meter. Observatoriet inkluderer en tett instrumentert underdetektor, DeepCore, og en overflateluftdusjeanordning, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) På Sydpolen har flere hundre forskere og ingeniører konstruert og distribuert over 5.000 individuelle fotosensorer i 86 separate 1, 5 mil-dype hull smeltet i den polare iskappen med en spesialdesignet varmtvannsbor. I løpet av syv australske sommersesonger installerte vi alle sensorene. IceCube-arrayen ble ferdig installert i begynnelsen av 2011 og har tatt data kontinuerlig siden.
Denne rekke isbundne detektorer kan føles med stor presisjon når en neutrino flyr gjennom og samspiller med noen få jordiske partikler som genererer svake mønstre av blålig Cherenkov-lys, gitt av når ladede partikler beveger seg gjennom et medium som is på nær lyshastighet.
**********
Achilleshælen til nøytrino-detektorer er at andre partikler, med opprinnelse i den nærliggende atmosfæren, også kan utløse disse mønstrene med blåaktig Cherenkov-lys. For å eliminere disse falske signalene blir detektorene begravd dypt i isen for å filtrere ut forstyrrelser før den når den følsomme detektoren. Men til tross for at den ligger under nesten en kilometer med fast is, står IceCube fremdeles overfor et angrep på rundt 2500 slike partikler hvert sekund, som hver av dem sannsynligvis kan ha skyldes en nøytrino.
Med den forventede frekvensen av interessante, virkelige astrofysiske nøytrino-interaksjoner (som innkommende nøytrinoer fra et svart hull) som svevde omtrent en per måned, ble vi møtt med et skremmende nål-i-en-høstakkproblem.
IceCube-strategien er å se bare på hendelser med så høy energi at de er overordentlig usannsynlige å ha atmosfærisk opprinnelse. Med disse utvalgskriteriene og flere år med data, oppdaget IceCube de astrofysiske nøytrinoene den lenge hadde søkt, men den kunne ikke identifisere noen individuelle kilder - for eksempel aktive galaktiske kjerner eller gammastråle-bursts - blant flere dusin høyenerginøytrinoer. hadde tatt til fange.
For å tisse ut faktiske kilder, begynte IceCube å distribuere ankomstvarsler om nøytrino i april 2016 med hjelp fra Astrophysical Multimessenger Observatory Network i Penn State. I løpet av de neste 16 månedene ble 11 IceCube-AMON nøytrino-varsler distribuert via AMON og Gamma-ray Coordinates Network, bare minutter eller sekunder etter at de ble oppdaget på Sydpolen.
22. september 2017 varslet IceCube det internasjonale astronomisamfunnet om påvisning av et høyt energi-nøytrino. Rundt 20 observatorier på jorden og i verdensrommet gjorde oppfølgingsobservasjoner, som muliggjorde identifisering av hva forskere anser å være en kilde til nøytrinoer med meget høy energi og dermed kosmiske stråler. I tillegg til nøytrinoer inkluderte observasjonene over det elektromagnetiske spekteret gammastråler, røntgenstråler og optisk og radiostråling. Disse observatoriene drives av internasjonale lag med til sammen over 1000 forskere støttet av finansieringsbyråer i land rundt om i verden. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Varslene utløste en automatisert sekvens av røntgen- og ultrafiolette observasjoner med NASAs Neil Gehrels Swift Observatory og førte til videre studier med NASAs Fermi Gamma-Ray romteleskop og Nuclear Spectroscopic Telescope Array, og 13 andre observatorier over hele verden.
Swift var det første anlegget som identifiserte den blussende blazar TXS 0506 + 056 som en mulig kilde til nøytrinohendelsen. Fermi Large Area Telescopethen rapporterte at blazaren var i en faklingstilstand og avga mange flere gammastråler enn den hadde gjort tidligere. Da nyhetene spredte seg, hoppet andre observatorier entusiastisk på båndtvangen og et bredt spekter av observasjoner fulgte. Det bakkebaserte teleskopet fra MAGIC bemerket at vårt neutrino kom fra et område som produserer meget høye energi gamma-stråler (hver rundt ti millioner ganger mer energisk enn en røntgen), første gang en slik tilfeldighet noensinne har blitt observert. Andre optiske observasjoner fullførte gåten ved å måle avstanden til blazar TXS 0506 + 056: omtrent fire milliarder lysår fra Jorden.
Med den første noensinne identifiseringen av en kosmisk kilde til nøytrinoer med høy energi, har en ny gren på astronomitreet grodd. Etter hvert som nøytrino-astronomien med høy energi vokser med flere data, forbedret koordinering mellom observatoriet og mer følsomme detektorer, vil vi kunne kartlegge nøytrinohimmelen med bedre og bedre presisjon.
Og vi forventer spennende nye gjennombrudd i vår forståelse av universet som følger, for eksempel: å løse det århundre gamle mysteriet om opphavet til forbløffende energiske kosmiske stråler; å teste om romtiden i seg selv er skummende, med kvantumsvingninger i veldig små avstandsskalaer, som forutsagt av visse teorier om kvantetyngdekraften; og finne ut nøyaktig hvordan kosmiske akseleratorer, som de rundt TXS 0506 + 056 sorte hull, klarer å akselerere partikler til så betagende høye energier.
I 20 år hadde IceCube-samarbeidet en drøm om å identifisere kildene til kosmiske nøytrinoer med høy energi - og denne drømmen er nå en realitet.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Doug Cowen, professor i fysikk og professor i astronomi og astrofysikk, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Columbia University
Derek Fox, førsteamanuensis i astronomi og astrofysikk, Pennsylvania State University
