Наземное сооружение для эксперимента IceCube, расположенное в Антарктиде под слоем льда толщиной около 1,6 км. IceCube предполагает, что призрачные нейтрино не существуют, но новый эксперимент говорит, что они существуют.
(Изображение: © Предоставлено нейтринной обсерваторией IceCube)
В ледяной пустыне Антарктиды находится массивный детектор частиц, Обсерватория нейтрино IceCube. Но поиск инструмента на поверхности окажется трудным делом, потому что большая часть обсерватории оказывается в ловушке подо льдом. Международная обсерватория охотится за нейтрино - безмассовыми, бесплатными частицами, которые почти никогда не взаимодействуют с веществом. Теперь его наблюдения могут решить одну из самых больших загадок в астрономии, отвечая на вопросы о происхождении нейтрино и космических лучей.
Самый большой из них
Нейтринная обсерватория IceCube охватывает один кубический километр около Южного полюса. Инструмент покрывает квадратный километр поверхности и простирается до 4920 футов (1500 метров) в глубину. Это первый гигатонный детектор нейтрино из когда-либо созданных.
В то время как фотографии IceCube часто показывают здание, сидящее на снежной поверхности, настоящая работа сделана ниже. Многоцелевой эксперимент включает в себя массив поверхностей IceTop, массив из 81 станции, которые расположены над струнами. IceTop служит детектором калибровки для IceCube, а также обнаруживает воздушные ливни от первичных космических лучей, а также их поток и состав.
Плотный внутренний субдетектор DeepCore является локомотивом эксперимента IceCube. Каждая из станций IceTop состоит из цепочек, прикрепленных к цифровым оптическим модулям (DOM), которые развернуты на гексагональной сетке, расположенной на расстоянии 410 футов (125 метров) друг от друга. Каждая строка содержит 60 баскетбольных DOM. Здесь, в глубине льда, IceCube может охотиться на нейтрино, которые исходят от Солнца, внутри Млечного Пути и снаружи галактики. Эти призрачные частицы связаны с космическими лучами, частицами с самой высокой энергией, которые когда-либо наблюдались.
[Связанный: отслеживание нейтрино к его источнику: открытие в картинках]
Таинственные частицы
Космические лучи были впервые обнаружены в 1912 году. Мощные вспышки излучения постоянно сталкиваются с Землей, проникая со всех частей галактики. Ученые подсчитали, что заряженные частицы должны образовываться в одних из самых жестоких и наименее понятных объектов и событий во вселенной. Взрывная звездная смерть звезды, сверхновой, обеспечивает один метод создания космических лучей; активные черные дыры в центре галактик другая.
Поскольку космические лучи состоят из заряженных частиц, они взаимодействуют с магнитными полями звезд и других объектов, мимо которых они проходят. Поля искривляют и смещают путь космических лучей, что делает невозможным для ученых отследить их до источника.
Вот где в игру вступают нейтрино. Как космические лучи, маломассивные частицы, как думают, формируются через насилие. Но поскольку нейтрино не имеют заряда, они проходят мимо магнитных полей, не изменяя своего пути, путешествуя по прямой линии от своего источника.
«По этой причине поиск источников космических лучей также стал поиском нейтрино очень высоких энергий», - говорится на сайте IceCube.
Однако те же характеристики, которые делают нейтрино такими хорошими посланниками, также означают, что их трудно обнаружить. Каждую секунду примерно 100 миллиардов нейтрино проходят через один квадратный дюйм вашего тела. Большинство из них происходят от Солнца и недостаточно энергичны, чтобы их можно было идентифицировать с помощью IceCube, но некоторые, вероятно, были произведены за пределами Млечного Пути.
Обнаружение нейтрино требует использования очень прозрачного материала, такого как вода или лед. Когда единичное нейтрино врезается в протон или нейтрон внутри атома, в результате ядерной реакции образуются вторичные частицы, которые испускают синий свет, известный как черенковское излучение.
«Обнаруженные нами нейтрино подобны отпечаткам пальцев, которые помогают нам понять объекты и явления, в которых образуются нейтрино», - утверждает команда IceCube.
Суровые условия
Южный полюс не может быть космическим пространством, но он несет свои собственные проблемы. Инженеры начали строительство IceCube в 2004 году, семилетнего проекта, который был завершен в соответствии с графиком в 2010 году. Строительство может осуществляться только в течение нескольких месяцев в году, в течение лета в Южном полушарии, которое происходит с ноября по февраль.
Для бурения 86 отверстий требовался специальный тип сверла - фактически два из них. Первый продвигался через Фирн, слой уплотненного снега, до примерно 164 футов (50 метров). Затем сверло с горячей водой под высоким давлением растаяло через лед со скоростью около 2 метров (6,5 футов) в минуту, до глубины 2450 метров (8038 футов или 1,5 мили).
«Вместе два сверла смогли последовательно производить практически идеальные вертикальные отверстия, готовые для развертывания контрольно-измерительных приборов со скоростью одна скважина каждые два дня», - сообщает IceCube.
Затем струны должны были быть быстро развернуты в талой воде до замерзания льда. Замораживание заняло несколько недель, чтобы стабилизироваться, после чего инструменты оставались неприкосновенными, постоянно замерзали во льду и не могли быть отремонтированы. Частота отказов приборов была чрезвычайно медленной: менее 100 из 5500 датчиков в настоящее время не работают.
IceCube начал делать наблюдения с самого начала, даже когда были задействованы другие последовательности.
По словам Халзена, когда проект начался, исследователи не знали, как далеко будет проходить свет по льду. С этой информацией хорошо известно, сотрудничество работает над IceCube-Gen2. Модернизированная обсерватория добавит еще приблизительно 80 строк детекторов, в то время как понимание свойств льда позволит исследователям размещать датчики более широко, чем их первоначальные консервативные оценки. IceCube-Gen2 должен удвоить размер обсерватории примерно за ту же стоимость.
Невероятная наука
IceCube начал охоту на нейтрино до того, как он был завершен, и по пути получил несколько интересных научных результатов.
В период с мая 2010 года по май 2012 года IceCube наблюдал 28 частиц с очень высокой энергией. Халзен объяснил способность детектора наблюдать эти экстремальные события завершением работы детектора.
«Это первый признак того, что нейтрино очень высоких энергий приходят из-за пределов нашей солнечной системы, причем их энергии более чем в миллион раз превышают наблюдаемые в 1987 году в связи со сверхновой, наблюдаемой в Большом Магеллановом облаке», - говорится в заявлении Хальзена. «Приятно наконец увидеть то, что мы искали. Это рассвет новой эры астрономии».
В апреле 2012 года пара нейтрино высокой энергии была обнаружена и получила прозвище Берт и Эрни после персонажей детского телешоу «Улица Сезам». При энергиях выше 1 петаэлектронвольта (ПэВ) пара была первым окончательно обнаруженным нейтрино извне солнечной системы со времен сверхновой звезды 1987 года.
«Это большой прорыв», - сказал Ули Кац, физик элементарных частиц из Университета Эрланген-Нюрнберг, в Германии, который не участвовал в исследовании. «Я думаю, что это одно из абсолютных главных открытий в физике астрономических частиц», - сказал Кац Space.com.
Эти наблюдения привели к тому, что IceCube был удостоен награды «Год физики 2013».
Другая крупная награда пришлась 4 декабря 2012 года, когда обсерватория обнаружила событие, которое ученые назвали Большой Птицей, также с «Улицы Сезам». Большая Птица была нейтрино с энергией, превышающей 2 квадриллиона электрон-вольт, более чем в миллион миллионов раз больше, чем энергия зубного рентгеновского излучения, упакованного в одну частицу с массой электрона менее миллионной доли. В то время это было самое высокоэнергетическое нейтрино из когда-либо обнаруженных; по состоянию на 2018 год он по-прежнему занимает второе место.
С помощью космического телескопа гамма-излучения Ферми НАСА ученые связали Большую Птицу с высокоэнергетическим взрывом блазара, известного как PKS B1424-418. Блазары питаются от сверхмассивных черных дыр в центре галактики. По мере того как черная дыра поглощает материал, часть материала отклоняется в струи, несущие столько энергии, что затмевают звезды в галактике. Джеты ускоряют материю, создавая нейтрино и фрагменты атомов, которые создают космические лучи.
Начиная с лета 2012 года, блазар сиял в 15-30 раз ярче гамма-излучения, чем в среднем до извержения. Долгосрочная программа наблюдений под названием TANAMI, которая регулярно наблюдала за почти 100 активными галактиками на южном небе, показала, что ядро галактической струи высветилось четыре раза в период с 2011 по 2013 год.
«Ни одна из наших галактик, наблюдаемых TANAMI в течение срока действия программы, не претерпела столь драматических изменений», - заявил Эдуардо Рос из Института радиоастрономии им. Макса Планка (MPIfR) в Германии в заявлении 2016 года. Команда рассчитала, что два события были связаны.
«Принимая во внимание все наблюдения, блазар, похоже, имел средства, мотив и возможность запустить нейтрино Большой Птицы, что делает его нашим главным подозреваемым», - сказал Матиас Кадлер, профессор астрофизики в университете Вюрцбурга в Германия."
В июле 2018 года IceCube объявил, что впервые отследил нейтрино до их источника Blazar. В сентябре 2017 года благодаря недавно установленной системе оповещения, которая транслировалась среди ученых всего мира в течение нескольких минут после обнаружения сильного кандидата на нейтрино, исследователи смогли быстро повернуть свои телескопы в направлении, в котором возник новый сигнал. Ферми предупредил исследователей о присутствии активного блазара, известного как TXS-0506 + 056, в той же части неба. Новые наблюдения подтвердили, что блазар пылал, испуская яркие вспышки энергии.
По большей части TXS - типичный блазар; это один из 100 самых ярких блазаров, обнаруженных Ферми. Однако, в то время как 99 других также ярки, они не швырнули нейтрино в IceCube. В последние месяцы TXS стал ярче, ярче и ярче, чем в сто раз сильнее, чем в предыдущие годы.
«Отслеживание этого высокоэнергетического нейтрино, обнаруженного IceCube обратно в TXS 0506 + 056, позволяет нам впервые идентифицировать конкретный объект как вероятный источник такого высокоэнергетического нейтрино», - Грегори Сиваков из Университета Альберта в Канаде, говорится в заявлении.
IceCube еще не закончен. Новая система оповещения будет держать астрономов на ногах в будущем. Запланированный срок службы обсерватории - 20 лет, так что, по крайней мере, еще одно десятилетие невероятных открытий поступит от обсерватории Южного полюса.
