For omkring fire milliarder år siden, da planeten Jorden stadig var i sin spædbarn, viste aksen på et sort hul omkring en milliard gange mere massiv end solen tilfældigtvis peger lige til, hvor vores planet skulle være den 22. september 2017.
Langs aksen sendte en højenergi-jetstråle af partikler fotoner og neutrinoer, der kæmper i vores retning med eller nær lysets hastighed. IceCube Neutrino-observatoriet på Sydpolen detekterede en af disse subatomære partikler - IceCube-170922A neutrino - og spores den tilbage til en lille himmelplaster i stjernebilledet Orion og pegede på den kosmiske kilde: et afbrændt sort hul på en milliardstørrelse solskin, 3, 7 milliarder lysår fra Jorden, kendt som blazar TXS 0506 + 056. Blazars har været kendt i nogen tid. Hvad der ikke var klart, var, at de kunne producere neutrinoer med høj energi. Endnu mere spændende var sådanne neutrinoer aldrig før blevet sporet til dens kilde.
At finde den kosmiske kilde til neutrinoer med høj energi for første gang, annonceret den 12. juli 2018 af National Science Foundation, markerer daggryet for en ny æra med neutrinoastronomi. Forfulgt i pas og begynder siden 1976, da banebrydende fysikere først forsøgte at bygge en storskala højenerginutrino-detektor ud for Hawaii-kysten, markerer IceCubes opdagelse den sejrende afslutning på en lang og vanskelig kampagne af mange hundrede videnskabsfolk og ingeniører - og samtidig fødslen af en helt ny gren af astronomi.
Konstellationen Orion med en bullseye på stedet for blazaren. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Påvisning af to forskellige astronomiske budbringere - neutrinoer og lys - er en kraftig demonstration af, hvordan såkaldt multimessenger-astronomi kan give den gearing, vi har brug for til at identificere og forstå nogle af de mest energiske fænomener i universet. Siden opdagelsen som en neutrino-kilde for mindre end et år siden har blazar TXS 0506 + 056 været genstand for intensiv kontrol. Dens tilknyttede strøm af neutrinoer leverer fortsat dyb indsigt i de fysiske processer, der arbejder i nærheden af det sorte hul og dets magtfulde stråle af partikler og stråling, som strålede næsten direkte mod Jorden fra dets placering lige ved skulder ved Orion.
Som tre forskere i et globalt team af fysikere og astronomer, der var involveret i denne bemærkelsesværdige opdagelse, blev vi draget til at deltage i dette eksperiment for dens rene dristighed for den fysiske og følelsesmæssige udfordring ved at arbejde lange skift på et brutalt koldt sted, mens vi indsætter dyre, følsomt udstyr i huller, der bores 1, 5 miles dybt i isen og får det hele til at fungere. Og selvfølgelig for den spændende mulighed for at være de første mennesker, der kigger ind i en splinterny slags teleskop og se, hvad det afslører om himlen.
**********
I en højde på over 9.000 fod og med gennemsnitlige sommertemperaturer, der sjældent bryder en frigid -30 Celsius, kan Sydpolen muligvis ikke slå dig som det ideelle sted at gøre noget, bortset fra at skryte af at besøge et sted, der er så solrige og lyse, du har brug for solcreme til dine næsebor. På den anden side, når du først er klar over, at højden skyldes et tykt lag ultrapure is lavet af flere hundrede tusind år med uberørt snefald, og at de lave temperaturer har holdt det hele pænt frossent, så overrasker det måske ikke dig for neutrino teleskopbygere, de videnskabelige fordele opvejer det forbødende miljø. Sydpolen er nu hjemsted for verdens største neutrino-detektor, IceCube.
Marts 2015: IceCube Laboratory på Amundsen-Scott South Pole Station, i Antarktis, er vært for de computere, der indsamler rå data fra detektoren. På grund af allokering af satellitbåndbredde sker det første niveau af genopbygning og begivenhedsfiltrering i næsten realtid i dette laboratorium. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Det kan virke underligt, at vi har brug for en så detaljeret detektor, i betragtning af at omkring 100 milliarder af disse grundlæggende partikler sashay lige gennem din miniature hvert sekund og glider ubesværet gennem hele Jorden uden at interagere med et enkelt jordisk atom.
Faktisk er neutrinoer de næst mest allestedsnærværende partikler, kun de andre til de kosmiske mikrobølgebaggrundsfotoner, der er tilbage fra Big Bang. De udgør en fjerdedel af kendte grundlæggende partikler. Men fordi de næppe interagerer med anden sag, er de uden tvivl den mindst godt forståede.
For at fange en håndfuld af disse undvigende partikler og for at opdage deres kilder, har fysikere brug for store - kilometer brede - detektorer lavet af et optisk klart materiale - som is. Heldigvis leverede Moder Natur denne uberørte plade med klar is, hvor vi kunne bygge vores detektor.
IceCube Neutrino Observatory instrumenter et volumen på cirka en kubik kilometer klar antarktisk is med 5.160 digitale optiske moduler (DOM'er) på dybder mellem 1.450 og 2.450 meter. Observatoriet inkluderer en tæt instrumenteret underdetektor, DeepCore, og en overfladeluftbrusearray, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) På Sydpolen har flere hundrede videnskabsmænd og ingeniører konstrueret og indsat over 5.000 individuelle fotosensorer i 86 separate 1, 5-mil-dybe huller smeltet i den polære iskappe med en specialdesignet varmtvandsbor. I løbet af syv australske sommersæsoner installerede vi alle sensorer. IceCube-arrayet blev fuldt installeret i begyndelsen af 2011 og har taget data kontinuerligt siden.
Denne række isbundne detektorer kan føles med stor præcision, når en neutrino flyver igennem og interagerer med et par jordiske partikler, der genererer svage mønstre af blåligt Cherenkov-lys, afgivet, når ladede partikler bevæger sig gennem et medium som is ved tæt på lyshastighed.
**********
Achilleshælen af neutrino-detektorer er, at andre partikler, der stammer fra den nærliggende atmosfære, også kan udløse disse mønstre af blåligt Cherenkov-lys. For at fjerne disse falske signaler er detektorerne begravet dybt i isen for at filtrere interferens, før den kan nå den følsomme detektor. Men på trods af, at den ligger under næsten en kilometer fast is, står IceCube stadig over for et angreb på ca. 2.500 sådanne partikler hvert sekund, som hver især kunne have været på grund af en neutrino.
Med den forventede frekvens af interessante, reelle astrofysiske neutrino-interaktioner (som indkommende neutrinoer fra et sort hul), der svævede omkring en pr. Måned, stod vi overfor et skræmmende nål-i-en-høstak.
IceCube-strategien er kun at se på begivenheder med så høj energi, at det er meget usandsynligt, at de har atmosfærisk oprindelse. Med disse udvælgelseskriterier og flere års data opdagede IceCube de astrofysiske neutrinoer, den længe havde søgt, men den kunne ikke identificere nogen individuelle kilder - såsom aktive galaktiske kerner eller gammastråle-bursts - blandt flere dusin højenerginutrinoer havde fanget.
For at drille de faktiske kilder begyndte IceCube at distribuere alarm ved ankomst til neutrino i april 2016 med hjælp fra Astrophysical Multimessenger Observatory Network i Penn State. I løbet af de næste 16 måneder blev 11 IceCube-AMON neutrino-advarsler distribueret via AMON og Gamma-ray Coordinates Network, kun få minutter eller sekunder efter, at de blev fundet på Sydpolen.
Den 22. september 2017 advarede IceCube det internationale astronomisamfund om opdagelsen af en højenerginutrino. Cirka 20 observatorier på Jorden og i rummet foretog opfølgningsobservationer, som gjorde det muligt at identificere, hvad forskere anser for at være en kilde til neutrinoer med meget høj energi og dermed kosmiske stråler. Udover neutrinoer omfattede observationer, der blev foretaget over det elektromagnetiske spektrum gamma-stråler, røntgenstråler og optisk og radiostråling. Disse observatorier drives af internationale teams med i alt mere end 1.000 forskere støttet af finansieringsbureauer i lande over hele verden. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Alarmerne udløste en automatiseret sekvens af røntgen- og ultraviolette observationer med NASAs Neil Gehrels Swift Observatory og førte til yderligere undersøgelser med NASAs Fermi Gamma-Ray Space Telescope og Nuclear Spectroscopic Telescope Array og 13 andre observatorier verden over.
Swift var den første facilitet til at identificere den blussende blazar TXS 0506 + 056 som en mulig kilde til neutrinohændelsen. Fermi Large Area Telescopethen rapporterede, at blazaren var i en fakkelform og udsendte mange flere gammastråler, end den havde gjort før. Da nyheden spredte, sprang andre observatorier entusiastisk på båndvognen, og en bred vifte af observationer fulgte. MAGIC-jordbaseret teleskop bemærkede, at vores neutrino kom fra en region, der producerer meget højenergi-gamma-stråler (hver ca. ti millioner gange mere energisk end en røntgenstråle), første gang en sådan tilfældighed nogensinde er blevet observeret. Andre optiske observationer afsluttede puslespillet ved at måle afstanden til blazar TXS 0506 + 056: cirka fire milliarder lysår fra Jorden.
Med den første nogensinde identifikation af en kosmisk kilde til neutrinoer med høj energi, har en ny gren på astronomitræet spiret. Når neutrinoastronomi med høj energi vokser med flere data, forbedret interobservatorisk koordinering og mere følsomme detektorer, vil vi være i stand til at kortlægge neutrinohimmelen med bedre og bedre præcision.
Og vi forventer, at spændende nye gennembrud i vores forståelse af universet følger efter, såsom: at løse det århundrede gamle mysterium om oprindelsen af forbløffende energiske kosmiske stråler; testning af, om rumtiden selv er skummende, med kvantefluktuationer i meget små afstandsskalaer, som forudsagt af visse teorier om kvantetyngdekraft; og finde ud af nøjagtigt, hvordan kosmiske acceleratorer, ligesom dem omkring TXS 0506 + 056 sorte hul, formår at fremskynde partikler til så betagende høje energier.
I 20 år havde IceCube-samarbejdet en drøm om at identificere kilderne til kosmiske neutrinoer med høj energi - og denne drøm er nu en realitet.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Doug Cowen, professor i fysik og professor i astronomi og astrofysik, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Columbia University
Derek Fox, lektor i astronomi og astrofysik, Pennsylvania State University
