Overfladefaciliteten til IceCube-eksperimentet, som er placeret under næsten 1 mil (1,6 kilometer) is i Antarktis. IceCube antyder, at spøgelsesrige neutrinoer ikke findes, men et nyt eksperiment siger, at de gør.
(Billede: © høflighed af IceCube Neutrino Observatory)
I det iskolde ødemark af Antarktis sidder en massiv partikeldetektor, IceCube Neutrino Observatory. Men at søge på instrumentets overflade vil vise sig vanskeligt, fordi hovedparten af observatoriet er fanget under isen. Det internationale observatorium har været på jagt efter neutrinoer - masseløse, ladeløse partikler, der næsten aldrig interagerer med stof. Nu kan dens observationer løse et af de største mysterier inden for astronomi ved at besvare spørgsmålene bag oprindelsen af neutrinoer og kosmiske stråler.
Den største af dem alle
IceCube Neutrino Observatory dækker en kubik kilometer nær Sydpolen. Instrumentet dækker en kvadratkilometer af overfladen og strækker sig ned til 1.500 meter (1500 meter) dyb. Det er den første gigaton neutrino detektor nogensinde bygget.
Mens fotografier af IceCube ofte viser en bygning, der sidder på den snedækkede overflade, udføres det virkelige arbejde nedenfor. Flerbrukseksperimentet inkluderer en overfladearray, IceTop, en matrix med 81 stationer, der sidder over strengene. IceTop fungerer som en kalibreringsdetektor for IceCube, såvel som at detektere luftbrusere fra primære kosmiske stråler, og deres flux og sammensætning.
Den tætte indre underdetektor, DeepCore, er drivkraften i IceCube-eksperimentet. Hver af IceTop-stationerne er sammensat af strenge, der er knyttet til digitale optiske moduler (DOM'er), der er placeret på et sekskantet gitter, der er placeret med en afstand af 125 meter fra hinanden. Hver streng indeholder 60 basketball-store DOM'er. Her, dybt inde i isen, er IceCube i stand til at jage efter neutrinoer, der kommer fra solen, inde fra Mælkevejen og uden for galaksen. Disse spøgelsesagtige partikler er forbundet med kosmiske stråler, de højeste energipartikler, der nogensinde er observeret.
[Relateret: Sporing af en neutrino til dens kilde: Opdagelsen i billeder]
Mystiske partikler
Kosmiske stråler blev først opdaget i 1912. De kraftige strålingsudbrud kolliderer konstant med Jorden og strømmer ind fra alle dele af galaksen. Forskere beregnet, at de ladede partikler skal dannes i nogle af de mest voldelige og mindst forståede genstande og begivenheder i universet. En eksplosiv stjernedød af en stjerne, en supernova, giver en metode til at skabe kosmiske stråler; de aktive sorte huller i midten af galakserne en anden.
Fordi kosmiske stråler består af ladede partikler, interagerer de imidlertid med magnetfelterne for stjerner og andre genstande, de passerer. Felterne fordrejning og skifter stien for de kosmiske stråler, hvilket gør det umuligt for forskere at spore dem tilbage til deres kilde.
Det er her neutrinoer spiller ind. Ligesom kosmiske stråler menes partikler med lav masse at dannes gennem vold. Men fordi neutrinoer ikke har nogen ladning, passerer de magnetfelter uden at ændre deres sti og rejser i en lige linje fra deres kilde.
"Af denne grund er søgningen efter kilderne til kosmiske stråler også blevet søgningen efter neutrinoer med meget høj energi," ifølge IceCube's websted.
De samme egenskaber, der gør neutrinoer til så gode budbringere, betyder imidlertid også, at de er svære at opdage. Hvert sekund passerer cirka 100 milliarder neutrinoer gennem en kvadrat tomme af din krop. De fleste af dem kommer fra solen og er ikke energiske nok til at blive identificeret af IceCube, men nogle er sandsynligvis produceret uden for Mælkevejen.
Spotting neutrino kræver anvendelse af meget klart materiale såsom vand eller is. Når en enkelt neutrino styrter ned i en proton eller neutron inde i et atom, producerer den resulterende nukleare reaktion sekundære partikler, der afgiver et blåt lys kendt som Cherenkov-stråling.
"De neutrinoer, som vi registrerer, er som fingeraftryk, der hjælper os med at forstå de objekter og fænomener, hvor neutrinoerne er produceret," ifølge IceCube-teamet.
Kæmpe forhold
Sydpolen er måske ikke det ydre rum, men det bringer sine egne udfordringer. Ingeniører begyndte byggeriet på IceCube i 2004, et syv-årigt projekt, der blev afsluttet efter planen i 2010. Byggeriet kunne kun finde sted i et par måneder hvert år over den sydlige halvkugles sommer, der finder sted fra november til februar.
Boring af 86 huller krævede en særlig type bor - faktisk to af dem. Den første gik frem gennem firn, et lag med komprimeret sne, ned til ca. 50 meter. Derefter smeltede en højtryksboring med varmt vand gennem isen med en hastighed på ca. 2 meter (6,5 fod) pr. Minut ned til dybden på 2.450 meter (8.038 fod, eller 1.5 miles).
"Sammen var de to øvelser i stand til konsekvent at fremstille næsten perfekte lodrette huller klar til udrulning af instrumentering med en hastighed på et hul hver anden dag," ifølge IceCube.
Strengene skulle derefter hurtigt blive indsat i det smeltede vand, før isen fryser tilbage. Frysningen tog et par uger at stabilisere sig, hvorefter instrumenterne forblev uberørbare, permanent frosne i isen og ikke kunne repareres. Instrumenternes fiasko har været ekstrem langsom med færre end 100 af de 5.500 sensorer, der i øjeblikket er ikke-operationelle.
IceCube begyndte at foretage observationer fra starten, selv mens andre strenge blev udsat.
Da projektet først startede, var forskere uklare om, hvor langt lys ville køre gennem isen, ifølge Halzen. Med den information, der er veletableret, fungerer samarbejdet mod IceCube-Gen2. Det opgraderede observatorium vil tilføje cirka 80 flere detektorstrenge, mens forståelsen af isens egenskaber vil give forskere mulighed for at placere sensorerne mere vidt fra hinanden end deres oprindelige konservative estimater. IceCube-Gen2 skal fordoble observatoriets størrelse til omtrent de samme omkostninger.
Utrolig videnskab
IceCube begyndte at jage efter neutrinoer, før det blev afsluttet, hvilket producerede adskillige spændende videnskabelige resultater undervejs.
Mellem maj 2010 og maj 2012 observerede IceCube 28 partikler med meget energi. Halzen tilskrev detektorens evne til at observere disse ekstreme begivenheder til detektorens færdiggørelse.
"Dette er den første indikation på meget neutrinoer med meget energi, der kommer uden for vores solsystem, med energier mere end en million gange dem, der blev observeret i 1987 i forbindelse med en supernova set i den store magellanske sky," siger Halzen i en erklæring. "Det er glædeligt at endelig se, hvad vi har ledt efter. Dette er daggryet for en ny tids astronomi."
I april 2012 blev et par neutrinoer med høj energi opdaget og tilnavnet Bert og Ernie efter figurerne fra børnenes tv-show "Sesame Street." Med energier over 1 petaelectronvolt (PeV) var parret de første definitivt detekterede neutrinoer uden for solsystemet siden supernovaen i 1987.
"Det er et stort gennembrud," sagde Uli Katz, en partikelfysiker ved University of Erlangen-Nuremberg, Tyskland, som ikke var involveret i forskningen. "Jeg tror, det er en af de absolut største opdagelser inden for astropartikelfysik," fortalte Katz til Space.com.
Disse observationer resulterede i, at IceCube blev tildelt Physics World 2013's gennembrud.
En anden større udbetaling kom den 4. december 2012, da observatoriet opdagede en begivenhed, som forskerne kaldte Big Bird, også fra "Sesame Street." Big Bird var en neutrino med en energi på mere end 2 quadrillion elektron volt, mere end en million millioner gange større end energien fra en tandrøntgenstråle, pakket i en enkelt partikel med mindre end en milliondel af en elektronmasse. På det tidspunkt var det den højeste energi neutrino, der nogensinde er blevet opdaget; Fra og med 2018 rangerer det stadig nummer to.
Ved hjælp af NASAs Fermi Gamma-ray-rumteleskop bundede forskere Big Bird til det stærkt energiske udbrud af en blazar kendt som PKS B1424-418. Blazars drives af supermassive sorte huller i midten af en galakse. Når det sorte hul gobler ned i materiale, afbøjes noget af materialet til jetfly, der bærer så meget energi, at de overskrider stjernerne i galaksen. Dyserne accelererer stof og skaber neutrino og fragmenter af atomer, der skaber nogle kosmiske stråler.
Fra sommeren 2012 lyste blazaren mellem 15 og 30 gange lysere i gammastråler end gennemsnittet før udbruddet. Et langtidsobservationsprogram ved navn TANAMI, der rutinemæssigt overvågede næsten 100 aktive galakser på den sydlige himmel, afslørede, at kernen i galakas jet var lysnet fire gange mellem 2011 og 2013.
"Ingen andre af vores galakser observeret af TANAMI i løbet af programmets levetid har udstillet en så dramatisk ændring," sagde Eduardo Ros fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Tyskland i en erklæring fra 2016. Holdet beregnet, at de to begivenheder var forbundet.
"Under hensyntagen til alle observationer synes blazaren at have haft midler, motiv og mulighed for at skyde fra Big Bird neutrino, hvilket gør det til vores største mistænkte," sagde Matthias Kadler, professor i astrofysik ved University of Würzburg i Tyskland."
I juli 2018 annoncerede IceCube, at den for første gang havde sporet neutrinoer tilbage til deres kilde-blazar. I september 2017, takket være et nyligt installeret alarmsystem, der sendte til forskere over hele verden inden for få minutter efter at have opdaget en stærk neutrino-kandidat, var forskerne i stand til hurtigt at dreje deres teleskoper i den retning, som det nye signal stammer fra. Fermi advarede forskere om tilstedeværelsen af en aktiv blazar, kendt som TXS-0506 + 056, i den samme del af himlen. Nye observationer bekræftede, at blazaren var fakkel og udsendte lysere end sædvanlige energibar.
For det meste er TXS en typisk blazar; det er en af de 100 lyseste blazarer, der er registreret af Fermi. Selvom de 99 andre også er lyse, har de ikke kastet neutrinoer mod IceCube. I de seneste måneder har TXS været fakkel, lysning og dæmpning så meget som hundrede gange stærkere end i de foregående år.
"Sporing af den neutrino med højenergi, der blev opdaget af IceCube tilbage til TXS 0506 + 056, gør dette til første gang, at vi har været i stand til at identificere et specifikt objekt som den sandsynlige kilde til en sådan højenerginutrino," sagde Gregory Sivakoff fra universitetet fra Alberta i Canada, sagde det i en erklæring.
IceCube er ikke færdig endnu. Det nye alarmsystem vil holde astronomer på tæerne i de kommende år. Observatoriet har en planlagt levetid på 20 år, så der er mindst et andet årti med utrolige opdagelser, der kommer fra Sydpolens observatorium.
