„IceCube“: atskleiskite kosminių spindulių paslaptis

„IceCube Neutrino“ observatorija

„IceCube“ eksperimento paviršiaus įrenginys, esantis beveik 1 mylios (1,6 kilometro) ledo Antarktidoje. „IceCube“ teigia, kad vaiduokliškų neutrinų nėra, tačiau naujas eksperimentas sako, kad jie egzistuoja. (Vaizdo kreditas: „IceCube Neutrino Observatory“ sutikimas)



Ledinėje Antarktidos dykvietėje yra didžiulis dalelių detektorius „IceCube Neutrino Observatory“. Tačiau ieškoti įrankio paviršiaus bus sunku, nes didžioji observatorijos dalis yra įstrigusi po ledu. Tarptautinė observatorija medžioja neutrinus - be masės, be įkrovos daleles, kurios beveik niekada nesąveikauja su medžiaga. Dabar jos stebėjimai gali išspręsti vieną didžiausių astronomijos paslapčių, atsakydami į klausimus, susijusius su neutrinų ir kosminių spindulių kilme.

Didžiausias iš jų

„IceCube Neutrino“ observatorija apima vieną kubinį kilometrą netoli Pietų ašigalio. Prietaisas užima kvadratinį kilometrą paviršiaus ir tęsiasi iki 4 920 pėdų (1500 metrų) gylio. Tai pirmasis kada nors sukurtas gigatonų neutrinų detektorius.

Nors „IceCube“ nuotraukose dažnai matomas pastatas, sėdintis ant sniego paviršiaus, tikrasis darbas atliekamas žemiau. Daugiafunkcinis eksperimentas apima paviršiaus masyvą „IceTop“ - 81 stoties, esančios virš stygų, masyvą. „IceTop“ tarnauja kaip „IceCube“ kalibravimo detektorius, taip pat nustato oro dušus iš pirminių kosminių spindulių ir jų srautą bei sudėtį.



Tankus vidinis subdetektorius „DeepCore“ yra „IceCube“ eksperimento jėgainė. Kiekvieną „IceTop“ stotį sudaro stygos, pritvirtintos prie skaitmeninių optinių modulių (DOM), išdėstytų šešiakampėje tinklelyje, esančiame 125 metrų atstumu. Kiekvienoje eilutėje yra 60 krepšinio dydžio DOM. Čia, giliai lede, „IceCube“ gali medžioti neutrinus, kurie ateina iš saulės, iš Paukščių tako ir iš galaktikos. Šios vaiduokliškos dalelės yra sujungtos su kosminiais spinduliais - didžiausiomis kada nors pastebėtomis energijos dalelėmis.

[ Susijęs: „Neutrino“ atsekimas iki jo šaltinio: atradimas nuotraukose ]

Paslaptingos dalelės

Kosminiai spinduliai pirmą kartą buvo atrasti 1912 m. Galingi spinduliuotės pliūpsniai nuolat susiduria su Žeme, sklindančiais iš visų galaktikos dalių. Mokslininkai apskaičiavo, kad įkrautos dalelės turi susidaryti kai kuriuose žiauriausiuose ir mažiausiai suprantamuose visatos objektuose ir įvykiuose. Sprogstamoji žvaigždės mirtis, supernova, suteikia vieną būdą sukurti kosminius spindulius; aktyvios juodosios skylės galaktikų centre kita.



Kadangi kosminius spindulius sudaro įkrautos dalelės, jie sąveikauja su žvaigždžių ir kitų pro juos praeinančių objektų magnetiniais laukais. Laukai deformuojasi ir keičia kosminių spindulių kelią, todėl mokslininkams neįmanoma atsekti jų šaltinio.

Čia atsiranda neutrinai. Manoma, kad kaip ir kosminiai spinduliai, mažos masės dalelės susidaro smurtu. Tačiau kadangi neutrinai neturi krūvio, jie praeina pro magnetinius laukus, nekeisdami savo kelio, keliaudami tiesia linija nuo savo šaltinio.

„Dėl šios priežasties kosminių spindulių šaltinių paieška taip pat tapo labai didelės energijos neutrinų paieška“. „IceCube“ svetainė .



Tačiau tos pačios savybės, dėl kurių neutrinai yra tokie geri pasiuntiniai, taip pat reiškia, kad juos sunku aptikti. Kas sekundę maždaug 100 milijardų neutrinų praeina per vieną kvadratinį colį jūsų kūno. Dauguma jų yra kilę iš saulės ir nėra pakankamai energingi, kad juos atpažintų „IceCube“, tačiau kai kurie greičiausiai buvo pagaminti už Paukščių Tako ribų.

Norint pastebėti neutrinus, reikia naudoti labai skaidrią medžiagą, tokią kaip vanduo ar ledas. Kai vienas neutrinas atsitrenkia į protoną ar neutroną atomo viduje, susidariusi branduolinė reakcija išskiria antrines daleles, skleidžiančias mėlyną šviesą, vadinamą Čerenkovo ​​spinduliuote.

„Neutrinai, kuriuos aptinkame, yra tarsi pirštų atspaudai, padedantys suprasti objektus ir reiškinius, kuriuose gaminami neutrinai“ „IceCube“ komanda .

Atšiaurios sąlygos

Pietų ašigalis gali būti ne kosmosas, tačiau jis kelia savo iššūkių. Inžinieriai pradėjo statyti „IceCube“ 2004 m.-septynerių metų projektą, kuris pagal planą buvo baigtas 2010 m.

Norint išgręžti 86 skyles, reikėjo specialaus gręžimo tipo - iš tikrųjų dviejų. Pirmasis žengė per eglę, sutankinto sniego sluoksnį, iki maždaug 164 pėdų (50 metrų). Tada aukšto slėgio karšto vandens gręžtuvas ištirpo per ledą maždaug 2 metrų (6,5 pėdų) per minutę greičiu, iki 2450 metrų gylio.

„Kartu abu gręžtuvai sugebėjo nuosekliai padaryti beveik tobulas vertikalias skyles, paruoštas naudoti prietaisus, po vieną skylę kas dvi dienas“. pagal „IceCube“ .

Tuomet stygos turėjo būti greitai išskleistos į ištirpintą vandenį prieš ledo užšalimą. Užšalimas užtruko kelias savaites, kol stabilizavosi, o po to instrumentai liko neliečiami, visam laikui užšalę lede ir negali būti pataisyti. Prietaisų gedimų dažnis buvo labai lėtas, šiuo metu neveikia mažiau nei 100 iš 5500 jutiklių.

„IceCube“ nuo pat pradžių pradėjo stebėti, net kai buvo naudojamos kitos eilutės.

Pasak Halzeno, pradėjus projektą, tyrėjams buvo neaišku, kiek toli šviesa nukeliaus per ledą. Turint tokią informaciją, bendradarbiaujama siekiant „IceCube-Gen2“. Atnaujinta observatorija pridėtų dar apie 80 detektorių eilučių, o ledo savybių supratimas leis tyrėjams išdėstyti jutiklius plačiau nei jų pirminiai konservatyvūs įvertinimai. „IceCube-Gen2“ turėtų padvigubinti observatorijos dydį už maždaug tą pačią kainą.

„IceCube“ jutiklis, pritvirtintas prie

Prie „stygos“ pritvirtintas „IceCube“ jutiklis nusileidžia į Antarkties ledo gręžinį.(Vaizdo kreditas: NSF/B. Gudbjartsson)

Neįtikėtinas mokslas

„IceCube“ pradėjo medžioti neutrinus, kol ji nebuvo baigta, ir pakeliui pateikė keletą intriguojančių mokslinių rezultatų.

Nuo 2010 m. Gegužės iki 2012 m. Gegužės mėn. „IceCube“ stebėjo 28 labai didelės energijos daleles. Halzenas detektoriaus gebėjimą stebėti šiuos ekstremalius įvykius priskyrė detektoriaus užbaigimui.

„Tai pirmasis požymis, rodantis labai didelės energijos neutrinus, sklindančius ne iš mūsų Saulės sistemos, kurių energija daugiau nei milijoną kartų didesnė už tą, kuri buvo pastebėta 1987 m. pareiškimas . „Džiugu pagaliau pamatyti tai, ko ieškojome. Tai naujo astronomijos amžiaus aušra “.

2012 m. Balandžio mėn. Buvo aptikta pora didelės energijos neutrinų ir pravardžiuojama Bert ir Ernie, pagal vaikų televizijos laidos „Sesame Street“ personažus. Kai energija buvo didesnė nei 1 petaelektronvoltas (PeV), pora buvo pirmasis galutinai aptiktas neutrinas iš Saulės sistemos išorės nuo 1987 metų supernovos.

„Tai didelis proveržis“,-sakė Uli Katzas, Erlangeno-Niurnbergo universiteto (Vokietija) dalelių fizikas, nedalyvavęs tyrime. „Manau, kad tai yra vienas iš svarbiausių astro dalelių fizikos atradimų“. Katzas pasakojo guesswhozoo.com .

Dėl šių stebėjimų „IceCube“ buvo apdovanotas „Metų proveržis“ - „Fizikos pasaulis 2013“ .

Kitas didelis atlygis buvo 2012 m. Gruodžio 4 d., Kai observatorija aptiko įvykį, kurį mokslininkai pavadino „Big Bird“, taip pat iš „Sesame Street“. „Big Bird“ buvo neutrinas, kurio energija viršijo 2 kvadrilijonus elektronų voltų, daugiau nei milijoną milijonų kartų didesnė nei dantų rentgeno spindulių energija, supakuota į vieną dalelę, kurioje yra mažiau nei milijonoji elektrono masės dalis. Tuo metu tai buvo didžiausios energijos neutrinas, kada nors aptiktas; 2018 m. ji vis dar užima antrą vietą.

Pasitelkę NASA „Fermi“ gama spindulių kosminį teleskopą, mokslininkai susiejo „Big Bird“ su labai energingu blazaro protrūkiu, žinomu kaip PKS B1424-418. „Blazarus“ maitina didžiulės juodosios skylės galaktikos centre. Kai juodoji skylė nuryja medžiagą, dalis medžiagos nukreipiama į purkštukus, nešiojančius tiek energijos, kad jie pralenkia galaktikos žvaigždes. Purkštukai pagreitina materiją, sukurdami neutrinus ir atomų fragmentus, kurie sukuria tam tikrus kosminius spindulius.

Nuo 2012 m. Vasaros vasarą blazaras gama spinduliavo 15–30 kartų ryškiau nei vidutiniškai prieš išsiveržimą. Ilgalaikė stebėjimo programa pavadinimu TANAMI, kuri reguliariai stebėjo beveik 100 aktyvių galaktikų pietiniame danguje, atskleidė, kad nuo 2011 iki 2013 m.

„Jokia kita mūsų galaktika, kurią per visą programos laiką stebėjo TANAMI, nepadarė tokių dramatiškų pokyčių“, - 2016 m. Sakė Eduardo Ros iš Maxo Plancko radijo astronomijos instituto (MPIfR) Vokietijoje. pareiškimas . Komanda apskaičiavo, kad abu įvykiai buvo susiję.

„Atsižvelgiant į visus pastebėjimus, atrodo, kad„ Blazar “turėjo priemonių, motyvų ir galimybių atleisti„ Big Bird “neutriną, todėl tai yra pagrindinis mūsų įtariamasis“, - sakė Viurcburgo universiteto astrofizikos profesorius Matthias Kadler. Vokietija “.

2018 m. Liepos mėn. „IceCube“ paskelbė, kad pirmą kartą stebėjo neutrinus iki jų šaltinio. 2017 m. Rugsėjo mėn. Dėl naujai įdiegtos įspėjimo sistemos, kuri per kelias minutes buvo transliuojama viso pasaulio mokslininkams po to, kai buvo aptiktas stiprus kandidatas į neutriną, tyrėjai sugebėjo greitai pasukti savo teleskopus ta kryptimi, kuria kilo naujas signalas. Fermi įspėjo tyrėjus apie aktyvų blazarą, žinomą kaip TXS-0506+056, toje pačioje dangaus dalyje. Nauji stebėjimai patvirtino, kad blazaras liepsnojo ir skleidė ryškesnius nei įprasta energijos pliūpsnius.

Dažniausiai TXS yra tipiškas blazaras; tai vienas iš 100 ryškiausių Fermi aptiktų blazarų. Tačiau, nors 99 kiti taip pat yra ryškūs, jie neužmetė neutrinų link „IceCube“. Pastaraisiais mėnesiais „TXS“ liepsnojo, ryškėjo ir pritemdė net šimtą kartų stipriau nei ankstesniais metais.

„Stebint„ IceCube “aptiktą didelės energijos neutriną iki TXS 0506+056, tai pirmas kartas, kai pavyko nustatyti konkretų objektą kaip tikėtiną tokios didelės energijos neutrino šaltinį“,-sakė Gregory Sivakoff iš universiteto. Albertos Kanadoje, sakoma pareiškime .

„IceCube“ dar nebaigtas. Nauja įspėjimo sistema padės astronomams ant pirštų galiukų ateinančiais metais. Planuojama, kad observatorijos tarnavimo laikas yra 20 metų, todėl iš Pietų ašigalio observatorijos ateina dar bent dešimtmetis neįtikėtinų atradimų.