Dalam karya seni ini, blazar mempercepat proton yang menghasilkan pion, yang menghasilkan neutrino dan sinar gamma. Neutrinos selalu merupakan hasil reaksi hadronik seperti yang ditunjukkan di sini. Sinar gamma dapat dihasilkan dalam interaksi hadronik dan elektromagnetik. (ICECUBE / NASA)

Satu Kosmik Pertama: Neutrinos Tenaga Ultra Tinggi Ditemui, Dari Galaksi Berkobar Di Seluruh Alam Semesta

Pada tahun 1987, kami mengesan neutrino dari galaksi lain di supernova. Setelah 30 tahun menunggu, kami menemui sesuatu yang lebih baik lagi.

Salah satu misteri besar dalam sains adalah menentukan bukan sahaja apa yang ada di luar sana, tetapi apa yang mencipta isyarat yang kita dapati di sini di Bumi. Selama lebih dari satu abad, kami telah mengetahui bahawa melintasi Alam Semesta adalah sinar kosmik: zarah tenaga tinggi yang berasal dari jauh di luar galaksi kita. Walaupun beberapa sumber zarah-zarah ini telah dikenal pasti, sebahagian besar dari mereka, termasuk yang paling bertenaga, tetap menjadi misteri.

Sehingga hari ini, semua itu telah berubah. Kerjasama IceCube, pada 22 September 2017, mengesan neutrino tenaga ultra tinggi yang tiba di Kutub Selatan, dan dapat mengenal pasti sumbernya. Ketika satu siri teleskop sinar gamma melihat posisi yang sama, mereka tidak hanya melihat isyarat, mereka juga mengenal pasti blazar, yang kebetulan menyala pada saat itu. Akhirnya, manusia telah menemui sekurang-kurangnya satu sumber yang menghasilkan zarah kosmik ultra-bertenaga ini.

Apabila lubang hitam memakan bahan, mereka membuat cakera penambahan dan jet bipolar yang berserenjang dengannya. Apabila jet dari lubang hitam supermasif menunjuk ke arah kita, kita memanggilnya sama ada objek BL Lacertae atau blazar. Ini sekarang dianggap sumber utama kedua sinar kosmik dan neutrino bertenaga tinggi. (NASA / JPL)

Alam Semesta, di mana sahaja kita melihat, penuh dengan pelbagai perkara untuk dilihat dan berinteraksi. Perkara berkumpul menjadi galaksi, bintang, planet, dan juga manusia. Sinaran mengalir melalui Alam Semesta, merangkumi keseluruhan spektrum elektromagnetik. Dan di setiap sentimeter kubik ruang, terdapat beratus-ratus zarah berjisim kecil dan berjisim yang dikenali sebagai neutrino.

Paling tidak, mereka dapat dijumpai, jika mereka berinteraksi dengan frekuensi apa pun dengan perkara biasa kita tahu bagaimana memanipulasinya. Sebagai gantinya, neutrino harus melewati tahun cahaya untuk mendapat tembakan 50/50 bertabrakan dengan zarah di dalamnya. Selama beberapa dekad setelah cadangannya pada tahun 1930, kami tidak dapat mengesan neutrino.

Reaktor eksperimen nuklear RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, menunjukkan ciri radiasi Cherenkov dari zarah-zarah yang lebih cepat daripada cahaya di dalam air yang dipancarkan. Neutrinos (atau lebih tepatnya, antineutrinos) yang pertama kali dihipotesiskan oleh Pauli pada tahun 1930 dikesan dari reaktor nuklear yang serupa pada tahun 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Pada tahun 1956, kami pertama kali mengesannya dengan memasang alat pengesan tepat di luar reaktor nuklear, hanya beberapa kaki dari tempat neutrino dihasilkan. Pada tahun 1960-an, kami membina alat pengesan yang cukup besar - di bawah tanah, terlindung dari zarah-zarah pencemaran lain - untuk mencari neutrino yang dihasilkan oleh Matahari dan oleh pelanggaran sinar kosmik dengan atmosfera.

Kemudian, pada tahun 1987, hanya kebebasan yang memberi kita supernova yang sangat dekat dengan rumah sehingga kita dapat mengesan neutrino dari itu. Eksperimen yang dijalankan untuk tujuan yang sama sekali tidak berkaitan mengesan neutrino dari SN 1987A, yang mengantar era astronomi pelbagai pesanan. Neutrinos, sejauh yang kita tahu, menjelajah Alam Semesta dengan tenaga yang tidak dapat dibezakan dari kelajuan cahaya.

Sisa supernova 1987a, terletak di Awan Magellan Besar sekitar 165,000 tahun cahaya. Fakta bahawa neutrino tiba beberapa jam sebelum isyarat cahaya pertama mengajar kita lebih banyak mengenai tempoh yang diperlukan cahaya untuk menyebarkan melalui lapisan supernova bintang daripada yang berlaku mengenai kelajuan perjalanan neutrino, yang tidak dapat dibezakan dari kelajuan cahaya. Neutrinos, cahaya, dan graviti kelihatan pada semua perjalanan dengan kelajuan yang sama sekarang. (NOEL CARBONI & LIBERATOR FIT FOTSHOP ESA / ESO / NASA)

Selama kira-kira 30 tahun, neutrino dari supernova itu adalah satu-satunya neutrino yang pernah kami sahkan berasal dari luar Sistem Suria kita sendiri, lebih kurang galaksi rumah kita. Tetapi itu tidak bermakna kita tidak menerima neutrino yang jauh; itu hanya bermaksud bahawa kita tidak dapat mengenal pasti mereka dengan kuat dengan sumber yang diketahui di langit. Walaupun neutrino berinteraksi dengan bahan yang sangat lemah, mereka lebih cenderung untuk berinteraksi jika bertenaga lebih tinggi.

Di situlah balai cerap neutrino IceCube masuk.

Observatorium IceCube, observatorium neutrino pertama seumpamanya, dirancang untuk memerhatikan zarah-zarah bertenaga tinggi yang sukar difahami ini dari bawah ais Antartika. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Jauh di dalam ais Kutub Selatan, IceCube merangkumi kilometer padu bahan pepejal, mencari neutrino yang hampir tidak berjisim ini. Ketika neutrino melewati Bumi, ada kemungkinan melakukan interaksi dengan zarah di dalamnya. Interaksi akan membawa kepada pancuran zarah-zarah, yang seharusnya meninggalkan tanda tangan yang tidak jelas di dalam alat pengesan.

Dalam ilustrasi ini, neutrino telah berinteraksi dengan molekul ais, menghasilkan zarah sekunder - muon - yang bergerak pada kelajuan relativistik di dalam ais, meninggalkan jejak cahaya biru di belakangnya. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Dalam enam tahun IceCube berjalan, mereka telah mengesan lebih daripada 80 neutrino kosmik bertenaga tinggi dengan tenaga lebih dari 100 TeV: lebih dari sepuluh kali ganda tenaga tertinggi yang dicapai oleh sebarang zarah di LHC. Sebilangan dari mereka bahkan telah menjulang skala PeV, mencapai tenaga ribuan kali lebih besar daripada yang diperlukan untuk membuat zarah asas yang paling berat sekalipun.

Namun di sebalik semua neutrino asal kosmik yang telah tiba di Bumi, kita belum pernah mencocokkannya dengan sumber di langit yang menawarkan lokasi yang pasti. Mengesan neutrino ini adalah suatu prestasi yang luar biasa, tetapi melainkan jika kita dapat mengaitkannya dengan objek yang sebenarnya dan diperhatikan di Alam Semesta - misalnya, itu juga dapat dilihat dalam beberapa bentuk cahaya elektromagnetik - kita tidak tahu apa yang membuatnya.

Apabila neutrino berinteraksi dalam ais Antartika yang jernih, ia menghasilkan zarah sekunder yang meninggalkan jejak cahaya biru ketika mereka melalui pengesan IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Ahli teori tidak mempunyai masalah untuk menghasilkan idea, termasuk:

  • hypernovae, yang paling terang dari semua supernova,
  • pecah sinar gamma,
  • lubang hitam yang menyala,
  • atau quasar, lubang hitam aktif terbesar di Alam Semesta.

Tetapi diperlukan bukti untuk diputuskan.

Contoh peristiwa neutrino bertenaga tinggi yang dikesan oleh IceCube: neutrino 4.45 PeV menyerang pengesan kembali pada tahun 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITI WISCONSIN-MADISON)

IceCube telah melacak dan mengeluarkan rilis dengan setiap neutrino tenaga ultra tinggi yang mereka dapati. Pada 22 September 2017, satu lagi peristiwa seperti itu dilihat: IceCube-170922A. Dalam siaran yang dikeluarkan, mereka menyatakan perkara berikut:

Pada 22 Sep, 2017 IceCube mengesan peristiwa seperti tenaga yang sangat tinggi dengan kebarangkalian tinggi kemungkinan berasal dari astrofizik. Acara itu dikenal pasti oleh pemilihan acara trek Tenaga Sangat Tinggi (EHE). Pengesan IceCube berada dalam keadaan operasi normal. Kejadian EHE biasanya mempunyai titik interaksi neutrino yang berada di luar pengesan, menghasilkan muon yang melintasi isipadu pengesan, dan mempunyai tahap cahaya yang tinggi (proksi untuk tenaga).
Sinar kosmik memancarkan zarah dengan menyerang proton dan atom di atmosfera, tetapi mereka juga memancarkan cahaya kerana radiasi Cherenkov. Dengan memerhatikan kedua-dua sinar kosmik dari langit dan neutrino yang menyerang Bumi, kita dapat menggunakan kebetulan untuk mengungkap asal-usul keduanya. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Usaha ini menarik bukan hanya untuk neutrino, tetapi untuk sinar kosmik secara umum. Walaupun terdapat berjuta-juta sinar kosmik tenaga tinggi selama lebih dari satu abad, kita tidak faham dari mana asalnya. Ini berlaku untuk proton, inti, dan neutrino yang dihasilkan baik di sumber dan melalui lata / pancuran di atmosfera.

Itulah sebabnya sangat menarik bahawa, bersama dengan amaran, IceCube juga memberikan koordinat di mana neutrino ini seharusnya berasal dari langit, pada kedudukan berikut:

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

Dan itu mendorong pemerhati, berusaha untuk melakukan pemerhatian susulan di seluruh spektrum elektromagnetik, ke objek ini.

Kesan artis mengenai nukleus galaksi aktif. Lubang hitam supermasif di tengah cakera pertambahan menghantar jet bahan bertenaga tinggi yang sempit ke ruang angkasa, tegak lurus dengan cakera. Blazar sekitar 4 bilion tahun cahaya adalah asal-usul sinar kosmik dan neutrino. (KERJA KOMUNIKASI SAINS, DESY)

Ini adalah blazar: lubang hitam supermasif yang kini dalam keadaan aktif, memakan bahan dan mempercepatnya dengan kecepatan yang luar biasa. Blazar sama seperti quasar, tetapi dengan satu perbezaan penting. Walaupun quasar dapat berorientasi ke arah mana pun, blazar akan selalu memiliki salah satu jetnya yang diarahkan langsung ke Bumi. Mereka disebut blazar kerana mereka "menyala" tepat pada anda.

Blazar khusus ini dikenal sebagai TXS 0506 + 056, dan ketika sejumlah besar observatorium, termasuk observatorium Fermi NASA dan teleskop MAGIC darat di Kepulauan Canary, mengesan sinar gamma yang datang dari dalamnya dengan segera.

Kira-kira 20 observatorium di Bumi dan di angkasa membuat pemerhatian susulan dari lokasi di mana IceCube memerhatikan neutrino September lalu, yang memungkinkan pengenalpastian mengenai apa yang para saintis anggap sebagai sumber neutrino tenaga yang sangat tinggi dan, oleh itu, sinar kosmik. Selain neutrino, pemerhatian yang dibuat di seluruh spektrum elektromagnetik termasuk sinar gamma, sinar-X, dan sinaran optik dan radio. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Bukan hanya itu, tetapi ketika neutrino tiba, blazar ditemukan dalam keadaan menyala, sesuai dengan aliran keluar yang paling aktif yang dialami oleh objek tersebut. Sejak aliran keluar meningkat dan surut, para penyelidik yang berafiliasi dengan IceCube melalui catatan bernilai satu dekad sebelum suar 22 September 2017, dan mencari sebarang peristiwa neutrino yang akan berasal dari kedudukan TXS 0506 + 056.

Carian segera? Neutrinos tiba dari objek ini dalam beberapa letupan, merangkumi bertahun-tahun. Dengan menggabungkan pemerhatian neutrino dengan yang elektromagnetik, kami dapat membuktikan bahawa neutrino bertenaga tinggi dihasilkan oleh blazar, dan bahawa kami mempunyai kemampuan untuk mengesannya, walaupun dari jarak yang sangat jauh. TXS 0506 + 056, jika anda ingin tahu, terletak kira-kira 4 bilion tahun cahaya.

Blazar TXS 0506 + 056 adalah sumber neutrino bertenaga tinggi dan sinar kosmik yang dikenal pasti pertama. Ilustrasi ini, berdasarkan gambar Orion oleh NASA, menunjukkan lokasi blazar, yang terletak di langit malam di bahu kiri buruj Orion. Sumbernya adalah kira-kira 4 bilion tahun cahaya dari Bumi. (ICECUBE / NASA / NSF)

Sebilangan besar dapat dipelajari hanya dari pemerhatian multi-messenger yang satu ini.

  • Blazar telah terbukti sekurang-kurangnya satu sumber sinar kosmik.
  • Untuk menghasilkan neutrino, anda memerlukan pion yang membusuk, dan yang dihasilkan oleh proton yang dipercepat.
  • Ini memberikan bukti pasti pertama mengenai pecutan proton oleh lubang hitam.
  • Ini juga menunjukkan bahawa blazar TXS 0506 + 056 adalah salah satu sumber paling terang di Alam Semesta.
  • Akhirnya, dari sinar gamma yang menyertainya, kita dapat memastikan bahawa neutrino kosmik dan sinar kosmik, sekurang-kurangnya kadang-kadang, mempunyai asal usul yang sama.
Sinaran kosmik yang dihasilkan oleh sumber astrofizik bertenaga tinggi dapat mencapai permukaan Bumi. Apabila sinar kosmik bertabrakan dengan zarah di atmosfer Bumi, ia menghasilkan pancuran zarah yang dapat kita mengesan dengan tatasusunan di tanah. Akhirnya, kami telah menemui sumber utama dari mereka. (KOLABORASI ASPERA / ERANET ASTROPARTIKAL)

Menurut Frances Halzen, penyiasat utama dari balai cerap neutrino IceCube,

Sangat menarik bahawa terdapat konsensus umum dalam komuniti astrofizik bahawa blazar tidak mungkin menjadi sumber sinar kosmik, dan di sinilah kita… Keupayaan untuk mengumpulkan teleskop secara global untuk membuat penemuan menggunakan pelbagai panjang gelombang dan digabungkan dengan pengesan neutrino seperti IceCube menandakan kejayaan dalam apa yang para saintis sebut sebagai "astronomi multi-utusan."

Era astronomi multi-utusan secara rasmi di sini, dan sekarang kita mempunyai tiga cara melihat langit yang sepenuhnya bebas dan saling melengkapi: dengan cahaya, dengan neutrino, dan dengan gelombang graviti. Kami telah mengetahui bahawa blazar, yang pernah dianggap sebagai calon yang tidak mungkin untuk menghasilkan neutrino bertenaga tinggi dan sinar kosmik, sebenarnya mencipta kedua-duanya.

Ini adalah gambaran artis mengenai quasar 3C 279 yang jauh. Jet bipolar adalah ciri biasa, tetapi sangat tidak biasa apabila jet seperti itu dihalakan terus ke arah kita. Ketika itu berlaku, kita mempunyai Blazar, sekarang disahkan sebagai sumber sinar kosmik bertenaga tinggi dan neutrino bertenaga ultra tinggi yang telah kita lihat selama bertahun-tahun. (ESO / M. KORNMESSER)

Bidang saintifik baru, bidang astronomi neutrino bertenaga tinggi, secara rasmi dilancarkan dengan penemuan ini. Neutrinos bukan lagi hasil sampingan dari interaksi lain, ataupun rasa ingin tahu kosmik yang hampir melampaui Sistem Suria kita. Sebagai gantinya, kita dapat menggunakannya sebagai penyelidikan asas Alam Semesta dan undang-undang asas fizik itu sendiri. Salah satu tujuan utama dalam membina IceCube adalah mengenal pasti sumber-sumber neutrino kosmik bertenaga tinggi. Dengan pengenalpastian blazar TXS 0506 + 056 sebagai sumber bagi kedua-dua neutrino ini dan sinar gamma, itulah satu impian kosmik yang akhirnya tercapai.

Bermula Dengan Bang kini ada di Forbes, dan diterbitkan semula di Medium terima kasih kepada penyokong Patreon kami. Ethan telah mengarang dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorder hingga Warp Drive.