IceCube eksperimenta virszemes iekārta, kas Antarktīdā atrodas gandrīz 1 jūdžu (1,6 kilometru) ledus tuvumā. IceCube norāda, ka spoku neitrīni neeksistē, taču jauns eksperiments saka, ka tie notiek.
(Attēls: © ar IceCube Neutrino observatorijas atļauju)
Apledojušajā Antarktīdas tuksnesī atrodas milzīgs daļiņu detektors - IceCube Neutrino observatorija. Bet instrumenta virsmas meklēšana būs sarežģīta, jo lielākā observatorijas daļa ir ieslodzīta zem ledus. Starptautiskā observatorija ir meklējusi neitrīnus - bezsvara un bezlādiņa daļiņas, kas gandrīz nekad nav mijiedarbojas ar matēriju. Tagad tās novērojumi var atrisināt vienu no lielākajiem astronomijas noslēpumiem, atbildot uz jautājumiem, kas aizkavē neitrīno un kosmisko staru izcelsmi.
Lielākais no tiem visiem
Observatorija IceCube Neutrino aptver vienu kubikkilometru netālu no Dienvidpola. Instruments sedz virsmas kvadrātkilometru un sniedzas līdz 15009 metru dziļumam. Tas ir pirmais gigatonu neitrīno detektors, kas jebkad uzbūvēts.
Kaut arī IceCube fotoattēli bieži parāda ēku, kas atrodas uz sniegotas virsmas, reālais darbs tiek veikts zemāk. Daudzfunkcionālais eksperiments ietver virsmas masīvu IceTop - 81 staciju masīvu, kas atrodas virs stīgām. IceTop kalpo kā IceCube kalibrēšanas detektors, kā arī gaisa dušu noteikšanai no primārajiem kosmiskajiem stariem, to plūsmas un sastāva.
Blīvais iekšējais apakšdetektors DeepCore ir IceCube eksperimenta spēks. Katru no IceTop stacijām veido virknes, kas piestiprinātas pie digitālajiem optiskajiem moduļiem (DOM), kas izvietoti uz sešstūra režģa, kas atrodas 410 pēdu (125 metru) attālumā viens no otra. Katrā virknē ir 60 basketbola lieluma DOM. IceCube, dziļi ledus iekšienē, var medīt neitrīnus, kas nāk no saules, no Piena ceļa un ārpus galaktikas. Šīs spokainās daļiņas ir savienotas ar kosmiskajiem stariem, kas ir augstākās enerģijas daļiņas, kādas jebkad novērotas.
[Saistīts: Neitrino izsekošana līdz tā avotam: Atklājums attēlos]
Noslēpumainas daļiņas
Kosmiskie stari pirmo reizi tika atklāti 1912. gadā. Spēcīgie radiācijas sprādzieni pastāvīgi saduras ar Zemi, ieplūstot no visām galaktikas vietām. Zinātnieki aprēķināja, ka uzlādētajām daļiņām jāveidojas visvardarbīgākajos un vismazāk saprotamos objektos un notikumos Visumā. Zvaigznes, supernovas, sprādzienbīstamā nāve nodrošina vienu metodi kosmisko staru radīšanai; citi aktīvie melnie caurumi galaktiku centrā.
Tā kā kosmiskos starus veido uzlādētas daļiņas, tomēr tie mijiedarbojas ar zvaigžņu un citu objektu magnētiskajiem laukiem, kuriem tās garām iet. Lauki šķīst un pārvieto kosmisko staru ceļu, padarot zinātniekiem neiespējamus tos izsekot atpakaļ to avotā.
Tajā spēlē neitrīni. Tāpat kā kosmiskie stari, domājams, ka mazmasas daļiņas veidojas vardarbības ceļā. Tā kā neitrīniem nav lādiņa, tie iet garām magnētiskajiem laukiem, nemainot savu ceļu, virzoties taisnā līnijā no avota.
"Šī iemesla dēļ kosmisko staru avotu meklēšana ir kļuvusi arī par ļoti augstas enerģijas neitrīnu meklēšanu," teikts IceCube tīmekļa vietnē.
Tomēr tās pašas īpašības, kas neitrīnus padara par tik labiem kurjeriem, nozīmē arī to, ka tos ir grūti atklāt. Katru sekundi caur vienu ķermeņa kvadrātcollu iziet apmēram 100 miljardi neitrīno. Lielākā daļa no tām nāk no saules un nav pietiekami enerģiskas, lai identificētu IceCube, taču dažas, visticamāk, ir ražotas ārpus Piena ceļa.
Neitrīnu noteikšanai nepieciešams izmantot ļoti dzidru materiālu, piemēram, ūdeni vai ledu. Kad viens neitrīns ietriecas protonā vai neitronā atoma iekšienē, radītā kodolreakcija rada sekundāras daļiņas, kas izdala zilu gaismu, kas pazīstama kā Čerenkova starojums.
"Neitrīni, kurus mēs atklājam, ir kā pirkstu nospiedumi, kas palīdz mums izprast objektus un parādības, kur neitrīni tiek ražoti," saka IceCube komanda.
Skarbi apstākļi
Dienvidpols var nebūt kosmoss, bet tas rada savus izaicinājumus. Inženieri sāka būvēt IceCube 2004. gadā - septiņu gadu projektā, kas tika pabeigts saskaņā ar grafiku 2010. gadā. Celtniecība varēja notikt tikai dažus mēnešus katru gadu dienvidu puslodes vasarā, kas notiek no novembra līdz februārim.
86 urbumu urbšanai bija nepieciešams īpaša veida urbis - faktiski divi no tiem. Pirmais izgāja cauri eglei - sablīvēta sniega kārta līdz aptuveni 50 metru augstumam. Pēc tam augstspiediena karstā ūdens urbis caur ledu izkusa ar ātrumu 2 metri (6,5 pēdas) minūtē līdz 2450 metru (8,038 pēdas jeb 1,5 jūdzes) dziļumam.
"Kopā abi urbji spēja konsekventi radīt gandrīz perfektus vertikālus caurumus, kas bija gatavi instrumentu izvietošanai ar ātrumu viens caurums ik pēc divām dienām," norāda IceCube.
Tad stīgas bija ātri jāievieto izkausētajā ūdenī, pirms ledus atsaldēja. Iesaldēšanai bija vajadzīgas dažas nedēļas, lai stabilizētos, pēc tam instrumenti palika neskarti, pastāvīgi sasaluši ledū un tos nevarēja salabot. Instrumentu atteices intensitāte ir bijusi ļoti lēna - mazāk nekā 100 no 5500 sensoriem patlaban nedarbojas.
IceCube sāka veikt novērojumus jau no paša sākuma, pat kamēr tika izvietoti citi stīgas.
Kad projekts sākās, pētniekiem nebija skaidrības par to, cik tālu gaisma pārcelsies pa ledu, sacīja Halzens. Tā kā šī informācija ir labi izveidota, sadarbība notiek IceCube-Gen2 virzienā. Pilnveidotajai observatorijai būtu pievienoti vēl aptuveni 80 detektoru virkņu, savukārt ledus īpašību izpratne pētniekiem ļaus sensorus izvietot plašāk, nekā to sākotnējie konservatīvie aprēķini. IceCube-Gen2 vajadzētu dubultot observatorijas lielumu par aptuveni tādām pašām izmaksām.
Neticami zinātne
IceCube sāka medīt neitrīnus pirms tā pabeigšanas, pa ceļam sniedzot vairākus intriģējošus zinātniskus rezultātus.
No 2010. gada maija līdz 2012. gada maijam IceCube novēroja 28 ļoti enerģijas saturošas daļiņas. Halzens detektora spēju novērot šos ekstremālos notikumus saistīja ar detektora pabeigšanu.
"Šī ir pirmā pazīme, ka ļoti augstas enerģijas neitrīni nāk no ārpus mūsu Saules sistēmas ar vairāk nekā miljonu reižu enerģijas, kas novērota 1987. gadā saistībā ar supernovu, kas redzama Lielajā Magelāna mākonī," teikts paziņojumā. "Ir gandarījums beidzot redzēt to, ko mēs meklējām. Šī ir jauna astronomijas laikmeta rītausma."
Pēc bērnu televīzijas šova "Sezama iela" varoņiem 2012. gada aprīlī tika atklāti lieljaudas neitrīnu pāri, kuru iesauka bija Berts un Ernijs. Ar enerģiju virs 1 petaelektronvolta (PeV) pāri bija pirmie galīgi atklātie neitrīni no Saules sistēmas ārpus 1987. gada supernovas.
"Tas ir būtisks izrāviens," sacīja Uli Katz, daļiņu fiziķis Erlangen-Nuremberg Universitātē, Vācijā, kurš nebija iesaistīts pētniecībā. "Es domāju, ka tas ir viens no absolūtajiem galvenajiem atklājumiem astrodaļiņu fizikā," Katz stāstīja Space.com.
Šo novērojumu rezultātā IceCube tika piešķirta Fizikas pasaule 2013 gada sasniegums.
Vēl viena liela izmaksa notika 2012. gada 4. decembrī, kad observatorija atklāja notikumu, kuru zinātnieki sauca par Lielo putnu, arī no "Sezama ielas". Lielais putns bija neitrīns, kura enerģija pārsniedza 2 kvadriljonus elektronu voltu, vairāk nekā miljons miljonu reižu lielāka par zobārstniecības rentgena enerģiju, iesaiņota vienā daļiņā ar mazāk nekā miljonu elektronu masas. Tajā laikā tas bija visaugstākās enerģijas neitrīno, kāds jebkad atklāts; kopš 2018. gada tas joprojām ieņem otro vietu.
Ar NASA Fermi Gamma-ray kosmiskā teleskopa palīdzību zinātnieki saistīja Big Bird ar ļoti enerģiskā uzplaukuma blazāru, kas pazīstams kā PKS B1424-418. Blazārus darbina supermasīvi melnie caurumi galaktikas centrā. Kad melnais caurums gremdē materiālu, daļa no tā tiek novirzīta sprauslās, kas nes tik daudz enerģijas, ka apsteidz zvaigznes galaktikā. Sprauslas paātrina matēriju, veidojot neitrīnus un atomu fragmentus, kas rada dažus kosmiskos starus.
Sākot ar 2012. gada vasaru, blazārs gamma staros spīdēja no 15 līdz 30 reizēm spilgtāk nekā vidēji pirms izvirduma. Ilgtermiņa novērošanas programma ar nosaukumu TANAMI, kas regulāri novēroja gandrīz 100 aktīvās galaktikas dienvidu debesīs, atklāja, ka galaktikas strūklas kodols ir izgaismojies četras reizes no 2011. līdz 2013. gadam.
"Nevienā citā mūsu galaktikā, ko TANAMI novēroja programmas laikā, nav bijušas tik dramatiskas pārmaiņas," 2016. gada paziņojumā sacīja Eduardo Ross no Maksima Planka Radioastronomijas institūta (MPIfR) Vācijā. Komanda aprēķināja, ka abi notikumi bija saistīti.
"Ņemot vērā visus novērojumus, šķiet, ka blazāram ir bijuši līdzekļi, motīvs un iespēja izšaut Big Bird neitrīno, kas padara to par mūsu galveno aizdomās turamo," sacīja Matiass Kadlers, Vircburgas universitātes astrofizikas profesors Vācija. "
IceCube 2018. gada jūlijā paziņoja, ka pirmo reizi tas ir izsekojis neitrīnus atpakaļ uz viņu avotu blazāru. 2017. gada septembrī, pateicoties nesen uzstādītajai trauksmes sistēmai, kas dažu minūšu laikā tika pārraidīta zinātniekiem visā pasaulē pēc spēcīga neitrīno kandidāta noteikšanas, pētnieki spēja ātri pagriezt savus teleskopus jaunā signāla radīšanas virzienā. Fermi brīdināja pētniekus par aktīva blazāra, pazīstama kā TXS-0506 + 056, klātbūtni tajā pašā debesu daļā. Jaunie novērojumi apstiprināja, ka blazārs uzliesmo un izstaro spilgtākus nekā parasti enerģijas pārrāvumus.
Lielākoties TXS ir tipisks blazārs; tas ir viens no 100 spilgtākajiem bleizeriem, ko atklājis Fermi. Tomēr, lai arī 99 pārējie ir gaiši, viņi nav neitrinos aizsteiguši IceCube virzienā. Pēdējos mēnešos TXS ir uzliesmojis, izgaismojis un aptumšojis pat simts reizes spēcīgāk nekā iepriekšējos gados.
"Izsekojot IceCube konstatētajam augstas enerģijas neitrīno atpakaļ uz TXS 0506 + 056, šī ir pirmā reize, kad mēs esam spējuši identificēt konkrētu objektu kā iespējamās šādas augstas enerģijas neitrīna avotu," - Gregorijs Sivakoffs no Universitātes. Alberta Kanādā, teikts paziņojumā.
IceCube vēl nav pabeigts. Jaunā trauksmes sistēma saglabās astronomu pirkstgalus turpmākajos gados. Observatorijas plānotais darbības laiks ir 20 gadi, tāpēc no Dienvidu pola observatorijas nāk vēl vismaz desmit gadu neticami atklājumi.
