В това художествено изобразяване, блазар ускорява протоните, които произвеждат пиони, които произвеждат неутрино и гама лъчи. Неутрино винаги са резултат от адронна реакция като тази, показана тук. Гама-лъчите могат да се произвеждат както в адронни, така и в електромагнитни взаимодействия. (IceCube / НАСА)

Космически първи: Намерени свръхвисоки енергийни неутрино, от пламващи галактики във Вселената

През 1987 г. открихме неутрино от друга галактика в свръхнова. След 30-годишно изчакване открихме нещо още по-добро.

Една от големите загадки в науката е определянето не само какво е там, но и какво създава сигналите, които откриваме тук на Земята. От повече от век ние знаем, че ципирането през Вселената са космически лъчи: високоенергийни частици, идващи далеч отвъд нашата галактика. Докато някои източници за тези частици са идентифицирани, по-голямата част от тях, включително и най-енергичните, остават загадка.

Към днешна дата всичко това се е променило. Сътрудничеството на IceCube на 22 септември 2017 г. откри ултра високо енергийно неутрино, пристигнало на Южния полюс и успя да идентифицира неговия източник. Когато поредица от гама-лъчи телескопи гледаха същото положение, те не само видяха сигнал, те идентифицираха блазар, който в този момент се разпали. Най-сетне човечеството е открило поне един източник, който създава тези ултраенергийни космически частици.

Когато черните дупки се хранят с материя, те създават аккреционен диск и биполярна струя, перпендикулярна на него. Когато струя от свръхмасивна черна дупка насочва към нас, ние го наричаме или BL Lacertae обект или блазар. Сега това се смята за основен източник както на космическите лъчи, така и на високоенергийните неутрино. (НАСА / JPL)

Вселената, навсякъде, където погледнем, е пълна с неща, които да гледаме и да си взаимодействаме. Материята се струпва заедно в галактики, звезди, планети и дори хора. Радиационните потоци през Вселената обхващат целия електромагнитен спектър. И във всеки кубичен сантиметър пространство могат да се намерят стотици призрачни, мънички частици, известни като неутрино.

Поне те биха могли да бъдат намерени, ако взаимодействат с някаква значителна честота с нормалната материя, с която знаем как да манипулираме. Вместо това неутрино би трябвало да премине през светлинна година на олово, за да има изстрел 50/50 при сблъсък с частица вътре. Десетилетия след предложението му през 1930 г. не успяхме да открием неутрино.

Ядрен експериментален реактор RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, показващ характерното излъчване на Черенков от излъчваните частици, по-бързи от светлината във вода. Неутрино (или по-точно - антинейтрино), първо хипотезирано от Паули през 1930 г., са открити от подобен ядрен реактор през 1956 г. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

През 1956 г. ние ги открихме за първи път, като поставихме детектори точно извън ядрените реактори, само на метри от мястото, където се произвеждат неутрино. През 60-те години на миналия век ние построихме достатъчно големи детектори - под земята, защитени от други замърсяващи частици, за да открием неутрино, произведено от Слънцето и от сблъсъци на космически лъчи с атмосферата.

Тогава, през 1987 г., само серендититът ни даде супернова толкова близо до дома, че можем да открием неутрино от нея. Експерименти, работещи за изцяло несвързани цели, откриха неутрино от SN 1987A, въвеждайки в ерата на мулти-месинджър астрономията. Доколкото можехме да кажем, нейтрините пътуваха през Вселената с енергии, неразличими от скоростта на светлината.

Остатъкът от свръхнова 1987a, разположена в Големия Магеланов облак на около 165 000 светлинни години. Фактът, че неутрино са пристигнали часове преди първия светлинен сигнал, ни научи повече за продължителността, необходима на светлината, за да се разпространява през слоевете на звездата на свръхнова, отколкото за скоростта на движение на неутрино, която беше неразличима от скоростта на светлината. Неутрино, светлина и гравитация изглежда, че всички пътуват със същата скорост сега. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA PHIBOSHOP FITS LIBERATOR)

За около 30 години неутрино от тази свръхнова бяха единствените неутрино, за които някога бяхме потвърдили, че са извън собствената ни Слънчева система, много по-малко от нашата домашна галактика. Но това не означава, че не получавахме по-далечни неутрино; това просто означаваше, че не можем да ги идентифицираме здраво с който и да е известен източник в небето. Въпреки че неутрино взаимодействат много слабо с материята, е по-вероятно да си взаимодействат, ако имат по-висока енергия.

Оттам идва и обсерваторията за неутрино на IceCube.

IceCube обсерваторията, първата неутрино обсерватория от този вид, е проектирана да наблюдава тези неуловими високоенергийни частици изпод леда на Антарктида. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Дълбоко в леда на Южния полюс, IceCube загражда кубичен километър твърд материал, търсейки тези почти безмасова неутрино. Когато неутрино преминават през Земята, има вероятност да има взаимодействие с частица вътре. Взаимодействието ще доведе до натрупване на частици, което трябва да остави безпогрешни сигнатури в детектора.

На тази илюстрация, неутрино е взаимодействало с молекула лед, произвеждайки вторична частица - мюон, която се движи с релативистка скорост в леда, оставяйки след себе си следа от синя светлина. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

За шестте години, през които IceCube работи, те откриха над 80 високоенергийни космически неутрино с енергия над 100 TeV: повече от десет пъти най-високите енергии, постигнати от всякакви частици в LHC. Някои от тях дори се интересуват от скалата на PeV, постигайки енергии хиляди пъти по-големи от необходимите, за да създадат дори най-тежките от известните фундаментални частици.

Но въпреки всички тези неутрино от космически произход, които са пристигнали на Земята, ние все още не сме ги съпоставили с източник на небето, който предлага окончателно местоположение. Откриването на тези неутрино е огромен подвиг, но освен ако не можем да ги съпоставим с действителен, наблюдаван обект във Вселената - например, това също може да се наблюдава под някаква форма на електромагнитна светлина - нямаме представа какво ги създава.

Когато неутрино взаимодейства в чистия лед на Антарктида, той произвежда вторични частици, които оставят следа от синя светлина, докато пътуват през детектора на IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Теоретиците не са имали проблем да измислят идеи, включително:

  • хиперновите, най-свръхсветливите от всички свръхнови,
  • изблици на гама лъчи,
  • пламващи черни дупки,
  • или квазари, най-големите, активни черни дупки във Вселената.

Но ще са необходими доказателства, за да се вземе решение.

Пример за високоенергийно неутрино събитие, открито от IceCube: неутрално 4.45 PeV неутрино, ударило детектора през 2014 г. (ICECUBE ЮЖНА ПОЛИЯ НЕЙТРИНО ОБАСЕРВАТОРИЯ / NSF / УНИВЕРСИТЕТ НА УИСКОНСИН-МАДИСОН)

IceCube проследява и издава съобщения с всяко ултра-високо енергийно неутрино, което са намерили. На 22 септември 2017 г. се наблюдава друго подобно събитие: IceCube-170922A. В изданието, което излезе, те заявиха следното:

На 22 септември 2017 г. IceCube откри трагично събитие с много висока енергия с голяма вероятност да има астрофизичен произход. Събитието бе идентифицирано чрез избора на събитие с изключително високо ниво на енергия (EHE). Детекторът на IceCube беше в нормално работно състояние. EHE събитията обикновено имат връх на неутрино взаимодействие, който е извън детектора, произвеждат мюон, който преминава обема на детектора и имат високо ниво на светлина (прокси за енергия).
Космическите лъчи душат частици, като удрят протоните и атомите в атмосферата, но те също излъчват светлина поради радиацията на Черенков. Наблюдавайки както космически лъчи от небето, така и неутрино, които удрят Земята, можем да използваме съвпадения, за да разкрием произхода на двете. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Това начинание е интересно не само за неутрино, но и за космическите лъчи като цяло. Въпреки факта, че сме виждали милиони космически лъчи с високи енергии повече от един век, не разбираме откъде произхождат повечето от тях. Това важи за протони, ядра и неутрино, създадени както в източника, така и чрез каскади / душове в атмосферата.

Ето защо е увлекателно, че наред с алармата, IceCube също даде координати за това, откъдето това неутрино трябва да е възникнало в небето, на следната позиция:

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

И това доведе наблюдателите, опитвайки се да извършват последващи наблюдения в електромагнитния спектър, към този обект.

Впечатление на художника за активното галактическо ядро. Свръхмасивната черна дупка в центъра на диска за натрупване изпраща тясна високоенергийна струя материя в пространството, перпендикулярно на диска. Блазар на около 4 милиарда светлинни години е произходът на тези космически лъчи и неутрино. (DESY, НАУКА ЗА КОМУНИКАЦИЯ НА НАУКАТА)

Това е блазар: супермасивна черна дупка, която в момента е в активно състояние, захранва се с материя и я ускорява до огромни скорости. Блазарите са точно като квазари, но с една важна разлика. Докато квазарите могат да бъдат ориентирани във всяка посока, един блазар винаги ще има един от своите струи, насочен директно към Земята. Наричат ​​ги блазари, защото "пламват" право върху вас.

Този конкретен блазар е известен като TXS 0506 + 056 и когато поредица от обсерватории, включително обсерваторията Ферми на НАСА и наземния телескоп MAGIC в Канарските острови, откриха гама-лъчи, идващи от него веднага.

Около 20 обсерватории на Земята и в Космоса направиха последващи наблюдения на мястото, където IceCube наблюдава неутрино през септември, което позволи да се направи идея за това, което учените смятат за източник на много високоенергийни неутрино и следователно на космически лъчи. Освен неутрино, наблюденията в електромагнитния спектър включват гама-лъчи, рентгенови лъчи и оптично и радио излъчване. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Не само това, но когато пристигнаха неутрино, беше установено, че блазарът е в пламтящо състояние, което съответства на най-активните потоци, които изпитва такъв обект. Тъй като пиковите потоци и връхлитане, изследователите, свързани с IceCube, преминаха през десетилетия на рекорди преди избухването на 22 септември 2017 г. и търсеха всякакви неутрино събития, които биха произлезли от позицията на TXS 0506 + 056.

Непосредствената находка? Неутрино пристигат от този обект в множество изблици, обхващащи много години. Чрез комбиниране на неутрино наблюдения с електромагнитни, ние успешно успяхме да установим, че високоенергийните неутрино се произвеждат от блазари и че имаме способността да ги откриваме, дори и от толкова голямо разстояние. TXS 0506 + 056, ако сте били любопитни, се намира на около 4 милиарда светлинни години.

Blazar TXS 0506 + 056 е първият идентифициран източник на високоенергийни неутрино и космически лъчи. Тази илюстрация, базирана на изображение на Орион от НАСА, показва местоположението на блазара, разположен на нощното небе точно от лявото рамо на съзвездието Орион. Източникът е на около 4 милиарда светлинни години от Земята. (IceCube / НАСА / NSF)

Огромна сума може да се научи само от това едно многопосочно наблюдение.

  • Доказано е, че блазарите са поне един източник на космически лъчи.
  • За да произведете неутрино, се нуждаете от разпадащи се пиони, а тези се произвеждат от ускорени протони.
  • Това дава първите окончателни доказателства за ускорение на протона от черни дупки.
  • Това също показва, че блазарът TXS 0506 + 056 е един от най-светещите източници във Вселената.
  • И накрая, от съпътстващите гама лъчи можем да сме сигурни, че космическите неутрино и космическите лъчи, поне понякога, имат общ произход.
Космическите лъчи, произведени от източници на астрофизика с висока енергия, могат да достигнат земната повърхност. Когато космически лъч се сблъска с частица в земната атмосфера, той произвежда душ от частици, които можем да открием с масиви на земята. Най-накрая открихме основен източник на тях. (СЪБИРАНЕ НА АСПЕРА / АСТРОПАРТИКЛ ЕРАНЕТ)

Според Франсис Халцен, главен изследовател на обсерваторията за неутрино на IceCube,

Интересно е, че в общността на астрофизиката имаше общ консенсус, че едва ли блазарите са източници на космически лъчи, и ето ни ... Способността за маршалски телескопи в световен мащаб да направи откритие, използвайки различни дължини на вълните и съчетани с неутрино детектор подобно на IceCube бележи крайъгълен камък в това, което учените наричат ​​„мулти-месинджър астрономия“.

Ерата на многопосланната астрономия е официално тук и сега имаме три напълно независими и допълващи се начина на гледане към небето: със светлина, с неутрино и с гравитационни вълни. Научихме, че блазарите, смятани някога за малко вероятни кандидати за генериране на високоенергийни неутрино и космически лъчи, всъщност създават и двете.

Това е впечатление на художника от далечен квазар 3C 279. Биполярните струи са обща черта, но е изключително рядко подобна струя да бъде насочена директно към нас. Когато това се случи, ние имаме Блазар, който вече е потвърден, че е източник както на високоенергийни космически лъчи, така и на ултра-високоенергийни неутрино, които виждаме от години. (ESO / M. KORNMESSER)

С това откритие официално стартира нова научна област, тази на високоенергийната неутрино астрономия. Неутрино вече не са страничен продукт на други взаимодействия, нито космическо любопитство, което едва се простира извън нашата Слънчева система. Вместо това можем да ги използваме като фундаментална сонда на Вселената и на основните закони на самата физика. Една от основните цели в изграждането на IceCube беше да се идентифицират източниците на високоенергийни космически неутрино. С идентифицирането на блазара TXS 0506 + 056 като източник както за тези неутрино, така и за гама лъчи, това е една космическа мечта, която най-накрая е постигната.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги: „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звезден път от трикрилите до Warp Drive“.