I denne kunstneriske gengivelse accelererer en blazar protoner, der producerer pioner, der producerer neutrinoer og gammastråler. Neutrinoer er altid resultatet af en hadronisk reaktion som den, der vises her. Gamma-stråler kan produceres i både hadroniske og elektromagnetiske interaktioner. (Isterning / NASA)

En kosmisk først: Neutrinoer med ultrahøj energi fundet fra brændende galakser over hele universet

I 1987 opdagede vi neutrinoer fra en anden galakse i en supernova. Efter en 30 års ventetid har vi fundet noget endnu bedre.

Et af de store videnskabelige mysterier er at bestemme ikke kun, hvad der er derude, men hvad der skaber de signaler, vi registrerer her på Jorden. I over et århundrede har vi vidst, at zipping gennem universet er kosmiske stråler: partikler med høj energi, der stammer fra langt ud over vores galakse. Mens nogle kilder til disse partikler er blevet identificeret, forbliver det overvældende flertal af dem, inklusive dem, der er mest energiske, et mysterium.

Fra i dag er alt dette ændret. IceCube-samarbejdet afslørede den 22. september 2017 en neutrino med ultrahøj energi, der ankom Sydpolen og kunne identificere dens kilde. Når en række gammastråleteleskoper kiggede på den samme position, så de ikke kun et signal, de identificerede en blazar, som tilfældigvis blussede lige i det øjeblik. Endelig har menneskeheden opdaget mindst en kilde, der skaber disse ultra-energiske kosmiske partikler.

Når sorte huller lever af materie, skaber de en akkretionsskive og en bipolær stråle vinkelret på den. Når en jet fra et supermassivt sort hul peger mod os, kalder vi det enten et BL Lacertae-objekt eller en blazar. Dette menes nu at være en vigtig kilde til både kosmiske stråler og neutrinoer med høj energi. (NASA / JPL)

Universet, overalt, hvor vi ser, er fuld af ting at se på og interagere med. Materiale klumper sig sammen i galakser, stjerner, planeter og endda mennesker. Stråling strømmer gennem universet, der dækker hele det elektromagnetiske spektrum. Og i hver kubikcentimeter plads kan hundreder af spøgelsesrige, småmasserede partikler kendt som neutrinoer findes.

I det mindste kunne de findes, hvis de interagerede med en mærkbar frekvens med den normale sag, vi ved, hvordan vi skal manipulere. I stedet ville en neutrino skulle passere et lysår med bly for at få et 50/50 skud på kollision med en partikel derinde. I årtier efter sit forslag i 1930 var vi ikke i stand til at opdage neutrino.

Reaktorens nukleære eksperimentelle RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, der viser den karakteristiske Cherenkov-stråling fra de hurtigere-end-lys-i-vand-partikler, der udsendes. Neutrinoerne (eller mere præcist antineutrinoer), der først blev antaget af Pauli i 1930, blev påvist fra en lignende atomreaktor i 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

I 1956 opdagede vi dem først ved at oprette detektorer lige uden for atomreaktorer, blot få meter væk fra hvor neutrinoer produceres. I 1960'erne byggede vi store nok detektorer - under jorden, afskærmet fra andre forurenende partikler - til at finde neutrinoerne produceret af Solen og ved kosmiske strålekollisioner med atmosfæren.

Så i 1987 var det kun serendipity, der gav os en supernova så tæt på hjemmet, at vi kunne opdage neutrinoer fra den. Eksperimenter, der kørte til fuldstændigt ikke-beslægtede formål, detekterede neutrinoerne fra SN 1987A og indledte æraen med multi-messenger astronomi. Neutrinos rejste så vidt vi vidste over hele universet ved energier, der ikke kan skelnes fra lysets hastighed.

Resten af ​​supernova 1987a, der ligger i den store magellanske sky omkring 165.000 lysår væk. Det faktum, at neutrinoer ankom timer før det første lyssignal, lærte os mere om den varighed, det tager lys at udbrede sig gennem stjernens lag af en supernova, end det gjorde om hastigheden, som neutrinoerne kørte på, hvilket ikke kunne skelnes fra lysets hastighed. Neutrino, lys og tyngdekraft ser ud til at alle rejser med samme hastighed nu. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA FOTOSHOP PASSER LIBERATOR)

I omkring 30 år var neutrinoerne fra den supernova de eneste neutrinoer, som vi nogensinde havde bekræftet at være uden for vores eget solsystem, meget mindre vores hjemmegalakse. Men det betyder ikke, at vi ikke modtog fjernere neutrinoer; det betød ganske enkelt, at vi ikke robust kunne identificere dem med nogen kendt kilde på himlen. Selvom neutrinoer kun interagerer meget svagt med stof, er de mere tilbøjelige til at interagere, hvis de er højere i energi.

Det er her IceCube neutrinoobservatoriet kommer ind.

IceCube-observatoriet, det første neutrinoobservatorium af sin art, er designet til at observere disse undvigende højenergipartikler under den antarktiske is. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Dybt inde på Sydpolen isen omslutter IceCube en kubisk kilometer fast materiale og søger efter disse næsten masseløse neutrinoer. Når neutrinoer passerer gennem Jorden, er der en chance for at have interaktion med en partikel derinde. Et samspil vil føre til et brus af partikler, som skal efterlade umiskendelige underskrifter i detektoren.

I denne illustration har en neutrino interageret med et ismolekyle og produceret en sekundær partikel - en muon - der bevæger sig med relativistisk hastighed i isen og efterlader et spor af blåt lys bag det. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

I de seks år, hvor IceCube har kørt, har de fundet mere end 80 højenergi-kosmiske neutrinoer med energier over 100 TeV: mere end ti gange den højeste energi opnået ved nogen partikler på LHC. Nogle af dem har endda kørt PeV-skalaen og opnået energi tusinder af gange større end hvad der er nødvendigt for at skabe selv den tyngste af de kendte grundlæggende partikler.

Ikke desto mindre trods alle disse neutrinoer af kosmisk oprindelse, der er ankommet på Jorden, har vi endnu ikke nogensinde matchet dem med en kilde på himlen, der tilbyder et definitivt sted. Detektering af disse neutrinoer er en enorm bedrift, men medmindre vi kan korrelere dem med et faktisk observeret objekt i universet - for eksempel er det også observerbart i en form for elektromagnetisk lys - vi har ingen anelse om, hvad der skaber dem.

Når en neutrino interagerer i den klare antarktiske is, producerer den sekundære partikler, der efterlader et spor af blåt lys, når de rejser gennem IceCube-detektoren. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Teoretikere har ikke haft noget problem med at komme med ideer, herunder:

  • hypernovae, den mest superluminøse af alle supernovaer,
  • gammastråler,
  • fakkelende sorte huller,
  • eller kvasarer, de største, aktive sorte huller i universet.

Men det kræver bevis at afgøre.

Et eksempel på en højenerginutrinohændelse opdaget af IceCube: en 4,45 PeV-neutrino, der rammer detektoren tilbage i 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORI / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube har fulgt og udstedt udgivelser med alle neutrinoer med meget høj energi, de har fundet. Den 22. september 2017 blev en anden sådan begivenhed set: IceCube-170922A. I udgivelsen, der gik ud, sagde de følgende:

Den 22. september 2017 opdagede IceCube en sporlignende begivenhed med meget høj energi med stor sandsynlighed for at være af astrofysisk oprindelse. Begivenheden blev identificeret ved valg af spor af begivenheden Extremely High Energy (EHE). IceCube-detektoren var i normal driftstilstand. EHE-begivenheder har typisk et neutrino-interaktions-toppunkt, der er uden for detektoren, producerer en muon, der krydser detektorvolumen og har et højt lysniveau (en proxy for energi).
Kosmiske stråler bruser partikler ved at slå protoner og atomer i atmosfæren, men de udsender også lys på grund af Cherenkov-stråling. Ved at observere både kosmiske stråler fra himlen og neutrinoer, der rammer Jorden, kan vi bruge tilfældigheder for at afsløre begge sider. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Denne bestræbelse er interessant ikke kun for neutrinoer, men også for kosmiske stråler generelt. På trods af det faktum, at vi har set millioner af kosmiske stråler med høje energier i mere end et århundrede, forstår vi ikke, hvor de fleste af dem stammer fra. Dette gælder for protoner, kerner og neutrinoer oprettet både ved kilden og via kaskader / brusere i atmosfæren.

Derfor er det fascinerende, at IceCube sammen med alarmen også gav koordinater for hvor denne neutrino skulle have sin oprindelse på himlen, i følgende position:

  • RA: 77,43 grader (-0,80 deg / + 1,30 grader 90% PSF indeslutning) J2000
  • Dec: 5,72 grader (-0,40 grader / + 0,70 grader 90% PSF indeslutning) J2000

Og det førte observatører, der forsøgte at udføre opfølgningsobservationer over det elektromagnetiske spektrum, til dette objekt.

Kunstnerens indtryk af den aktive galaktiske kerne. Det supermassive sorte hul i midten af ​​akkretionsskiven sender en smal højenergistråle af stof ind i rummet, vinkelret på disken. En blazar omkring 4 milliarder lysår væk er oprindelsen af ​​disse kosmiske stråler og neutrinoer. (DESY, SCIENCE COMMUNICATION LAB)

Dette er en blazar: et supermassivt sort hul, der i øjeblikket er i aktiv tilstand, fodrer med materie og fremskynder det til enorme hastigheder. Blazars er ligesom kvasarer, men med en vigtig forskel. Mens kvasarer kan orienteres i alle retninger, vil en blazar altid have en af ​​dens jetfly rettet direkte mod Jorden. De kaldes blazars, fordi de “blæs” lige ved dig.

Denne særlige blazar er kendt som TXS 0506 + 056, og da en mængde observatorier, inklusive NASAs Fermi-observatorium og det jordbaserede MAGIC-teleskop på De Kanariske Øer, detekterede gammastråler der kom derfra med det samme.

Cirka 20 observatorier på Jorden og i rummet gjorde opfølgende observationer af det sted, hvor IceCube observerede neutrino i september sidste år, hvilket gjorde det muligt at identificere, hvad forskere betragter som 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. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Ikke kun det, men da neutrinoerne ankom, blev det konstateret, at blazaren var i en fakkeltilstand, svarende til de mest aktive udstrømme, som et objekt oplever. Siden udstrømningerne toppede og ebbe, gennemgik forskere tilknyttet IceCube et tiårs værdi af poster forud for flammen den 22. september 2017 og søgte efter eventuelle neutrinobegivenheder, der kunne stamme fra positionen TXS 0506 + 056.

Den umiddelbare fund? Neutrinoer ankom fra dette objekt i flere bursts i mange år. Ved at kombinere neutrinoobservationer med elektromagnetiske observationer har vi med succes kunnet konstatere, at neutrinoer med høj energi er produceret af blazars, og at vi har evnen til at registrere dem, selv fra så stor afstand. TXS 0506 + 056, hvis du var nysgerrig, ligger omkring 4 milliarder lysår væk.

Blazar TXS 0506 + 056 er den første identificerede kilde til neutrinoer med høj energi og kosmiske stråler. Denne illustration, der er baseret på et billede af Orion af NASA, viser placeringen af ​​blazaren, der ligger på nattehimlen lige ved venstre skulder på stjernebilledet Orion. Kilden er omkring 4 milliarder lysår fra Jorden. (Isterning / NASA / NSF)

En enorm mængde kan læres lige ved denne ene multi-messenger observation.

  • Det er påvist, at blazars er mindst en kilde til kosmiske stråler.
  • For at producere neutrinoer har du brug for henfaldende pioner, og disse produceres af accelererede protoner.
  • Dette giver det første endelige bevis på protonacceleration ved sorte huller.
  • Dette demonstrerer også, at blazar TXS 0506 + 056 er en af ​​de mest lysende kilder i universet.
  • Endelig kan vi fra de ledsagende gammastråler være sikre på, at kosmiske neutrinoer og kosmiske stråler i det mindste undertiden har en fælles oprindelse.
Kosmiske stråler produceret af astrofysiske kilder med høj energi kan nå Jordens overflade. Når en kosmisk stråle kolliderer med en partikel i Jordens atmosfære, producerer den et brus af partikler, som vi kan registrere med matriser på jorden. Endelig har vi afsløret en vigtig kilde til dem. (ASPERA SAMLING / ASTROPARTICLE ERANET)

Ifølge Frances Halzen, hovedetterforsker af IceCube neutrinoobservatoriet,

Det er interessant, at der var en generel enighed i astrofysikernes samfund om, at blazars sandsynligvis ikke var kilder til kosmiske stråler, og her er vi… Evnen til at marskalkere teleskoper globalt for at gøre en opdagelse ved hjælp af forskellige bølgelængder og kombineret med en neutrino-detektor ligesom IceCube markerer en milepæl i det, som forskere kalder "multi-messenger astronomi."

Tiden med multi-messenger astronomi er officielt her, og nu har vi tre helt uafhængige og komplementære måder at se på himlen på: med lys, med neutrinoer og med tyngdekraftsbølger. Vi har lært, at blazars, der engang blev betragtet som en usandsynlig kandidat til at generere højenergien neutrinoer og kosmiske stråler, faktisk skaber begge dele.

Dette er en kunstners indtryk af en fjern quasar 3C 279. De bipolære jetfly er et almindeligt træk, men det er yderst usædvanligt, at en sådan jet rettes direkte mod os. Når dette sker, har vi en Blazar, som nu er bekræftet at være en kilde til både højenergi-kosmiske stråler og de ultrahøj-energi-neutrinoer, vi har set i årevis. (ESO / M. KORNMESSER)

Et nyt videnskabeligt felt, neutrinoastronomien med høj energi, lanceres officielt med denne opdagelse. Neutrinoer er ikke længere et biprodukt fra andre interaktioner, heller ikke en kosmisk nysgerrighed, der næppe strækker sig ud over vores solsystem. I stedet kan vi bruge dem som en grundlæggende sonde af universet og af de grundlæggende fysiske love. Et af de vigtigste mål i opbygningen af ​​IceCube var at identificere kilderne til kosmiske neutrinoer med høj energi. Med identificeringen af ​​blazar TXS 0506 + 056 som kilden til både disse neutrinoer og for gammastråler, er det en kosmisk drøm, der omsider er opnået.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.