מתקן השטח לניסוי IceCube שנמצא מתחת לקילומטר (1.6 קילומטר) של קרח באנטארקטיקה. IceCube מציע כי נייטרינו רפאים אינם קיימים, אך ניסוי חדש טוען כי הם עושים זאת.
(תמונה: © באדיבות מצפה הכוכבים נייטרינו של IceCube)
בשממה הקפואה של אנטארקטיקה יושב גלאי חלקיקים מסיבי, מצפה הכוכבים נוקרינו של IceCube. אבל חיפוש במכשיר על פני השטח יתגלה כקשה, מכיוון שרוב המצפה נלכד מתחת לקרח. המצפה הבינלאומי חיפש אחר נייטרינים - חלקיקים חסרי מסה נטולי מסה שכמעט ואינם מתקשרים עם חומר. כעת, תצפיותיו עשויות לפתור את אחת התעלומות הגדולות באסטרונומיה, לענות על השאלות העומדות מאחורי מקורם של נייטרינים וקרניים קוסמיות.
הגדול מכולם
מצפה הכוכבים IceCube Neutrino משתרע על פני קוב מעוקב אחד ליד הקוטב הדרומי. המכשיר משתרע על קילומטר רבוע של פני השטח ומשתרע עד לגובה 1,500 מטר. זהו גלאי הנייטרינו הראשון של ג'יגאטון שנבנה אי פעם.
בעוד שתמונות של IceCube לרוב מראות מבנה היושב על המשטח המושלג, העבודה האמיתית נעשית למטה. הניסוי הרב תכליתי כולל מערך שטח, IceTop, מערך של 81 תחנות היושבות מעל המיתרים. IceTop משמש כגלאי כיול עבור IceCube, כמו גם גילוי מקלחות אוויר מקרניים קוסמיות ראשוניות, והשטף וההרכב שלהם.
תת-המשנה הפנימי הצפוף, DeepCore, הוא תחנת הכוח של ניסוי IceCube. כל אחת מתחנות IceTop מורכבת ממיתרים המחוברים למודולים אופטיים דיגיטליים (DOMs) הפרוסים על רשת משושה המרוחקת 125 מטר (125 מטר) זה מזה. כל מחרוזת כוללת 60 DOMs בגודל כדורסל. כאן, עמוק בתוך הקרח, IceCube מסוגל לצוד נייטרינו שבאים מהשמש, מתוך שביל החלב ומחוצה לה הגלקסיה. חלקיקים רפאים אלה קשורים לקרניים קוסמיות, חלקיקי האנרגיה הגבוהים ביותר שנצפו אי-פעם.
[קשורים: מעקב אחר נייטרינו למקורו: הגילוי בתמונות]
חלקיקים מסתוריים
קרניים קוסמיות התגלו לראשונה בשנת 1912. התפרצויות קרינה עוצמתיות מתנגשות עם כדור הארץ ללא הפסקה, זורמות מכל חלקי הגלקסיה. מדענים חישבו כי החלקיקים הטעונים חייבים להיווצר בכמה מהאובייקטים וההתרחשויות האלימים והפחות מובנים ביקום. מותו הכוכב הנפיץ של כוכב, סופרנובה, מספק שיטה אחת ליצירת קרניים קוסמיות; החורים השחורים הפעילים במרכז הגלקסיות אחרים.
מכיוון שקרניים קוסמיות מורכבות מחלקיקים טעונים, עם זאת, הם מתקשרים עם השדות המגנטיים של כוכבים וחפצים אחרים שהם עוברים לידם. השדות מתעוותים ומעבירים את מסלול הקרניים הקוסמיות, מה שמאפשר למדענים להתחקות אחר מקורם.
כאן נכנסים לשחק נייטרינים. כמו קרניים קוסמיות, נחשב שהחלקיקים בעלי המסה הנמוכה נוצרים באמצעות אלימות. אך מכיוון שלנייטרינו אין מטען, הם עוברים ליד שדות מגנטיים מבלי לשנות את דרכם, ונוסעים בקו ישר ממקורם.
"מסיבה זו החיפוש אחר מקורות הקרניים הקוסמיות הפך גם לחיפוש אחר נייטרינו אנרגיה גבוהה מאוד", על פי אתר IceCube.
עם זאת, אותם מאפיינים שהופכים את הנייטרינים לשליחים כה טובים פירושם גם שהם קשים לגלות. בכל שנייה, כמאה מיליארד נייטרינים עוברים סנטימטר רבוע אחד מגופך. רובם מגיעים מהשמש, ואינם אנרגטיים מספיק כדי להזדהות על ידי IceCube, אך ככל הנראה חלקם יוצרו מחוץ לשביל החלב.
איתור נייטרינו מצריך שימוש בחומר ברור מאוד כמו מים או קרח. כאשר נייטרינו בודד מתרסק לפרוטון או נויטרון בתוך אטום, התגובה הגרעינית המתקבלת מייצרת חלקיקים משניים שמפיצים אור כחול המכונה קרינת צ'רנקוב.
"הנייטרינים שאנו מגלים הם כמו טביעות אצבעות שעוזרות לנו להבין את האובייקטים והתופעות שבהם מייצרים הנייטרינים," על פי צוות IceCube.
תנאים קשים
הקוטב הדרומי אולי אינו המרחב החיצוני, אך הוא מביא אתגרים משלו. המהנדסים החלו בבנייה ב- IceCube בשנת 2004, פרויקט בן שבע שנים שהסתיים בלוח הזמנים בשנת 2010. הבנייה יכולה הייתה להתקיים רק מספר חודשים בכל שנה, לאורך הקיץ של חצי הכדור הדרומי, המתרחש בנובמבר עד פברואר.
משעמם 86 חורים דרש מקדחה מסוג מיוחד - שניים מהם, למעשה. הראשון התקדם דרך השריפה, שכבה של שלג דחוס, עד לגובה של 50 מטר. לאחר מכן תרגיל מים חמים בלחץ גבוה נמס דרך הקרח במהירות של כ -2 מטר (6.5 רגל) לדקה, עד לעומק של 2,450 מטר (8,038 רגל, או 1.5 מייל).
"ביחד, שני המקדחים הצליחו לייצר באופן עקבי חורים אנכיים כמעט מושלמים מוכנים לפריסה של מכשור בקצב של חור אחד כל יומיים", על פי IceCube.
לאחר מכן היה צריך לפרוס במהירות את המיתרים במים המומסים לפני שהקרח ניצב מחדש. ההקפאה ארכה מספר שבועות להתייצבות, לאחר מכן המכשירים נותרו בלתי ניתנים לנגיעה, הוקפאו לצמיתות בקרח ולא הצליחו לתקן. קצב הכישלון של המכשירים היה איטי ביותר, עם פחות ממאה מתוך 5,500 חיישנים שאינם פעילים כיום.
IceCube החל לבצע תצפיות מההתחלה, אפילו בזמן שפרסמו מיתרים אחרים.
כאשר החל הפרויקט לראשונה, החוקרים לא היו ברורים עד כמה רחוק האור יעבור בקרח, לפי הלזן. עם מידע זה מבוסס היטב, שיתוף הפעולה פועל לקראת IceCube-Gen2. המצפה המשודרג יוסיף כ -80 מיתרי גלאי נוספים, בעוד ההבנה של תכונות הקרח תאפשר לחוקרים למקם את החיישנים בצורה רחבה יותר מההערכות השמרניות המקוריות שלהם. IceCube-Gen2 אמור להכפיל את גודל המצפה בכמחיר זהה.
מדע לא ייאמן
IceCube החלה לצוד אחר נייטרינו לפני השלמתו, והניבה מספר תוצאות מדעיות מסקרנות לאורך הדרך.
בין מאי 2010 למאי 2012, IceCube צפה ב 28 חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד. הלזן ייחס את יכולתו של הגלאי להתבונן באירועים קיצוניים אלה להשלמת הגלאי.
בהצהרה נמסר הלזן, "זוהי האינדיקציה הראשונה לניוטרינו בעל אנרגיה גבוהה מאוד המגיעים מחוץ למערכת השמש שלנו, עם אנרגיות יותר ממיליון מאלו שנצפו בשנת 1987 בקשר לסופרנובה שנראתה בענן המגלני הגדול". "זה משמח לראות סוף סוף את מה שחיפשנו. זה שחר העידן החדש של האסטרונומיה."
באפריל 2012 התגלו זוג נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה וכונו את ברט ואני, על שם הדמויות מתכנית הטלוויזיה לילדים "רחוב סומסום". עם אנרגיות מעל 1 פטאל-אלקטרוולט (PeV), הצמד היו הנייטרינים הראשונים שהתגלו באופן סופי מחוץ למערכת השמש מאז סופרנובה 1987.
אולי כץ, פיזיקאי חלקיקים מאוניברסיטת ארלנגן-נירנברג, גרמניה, לא אמר מעורב במחקר. "זו פריצת דרך משמעותית". "אני חושב שזו אחת התגליות העיקריות המוחלטות בפיזיקה של חלקיקי האסטרו", אמר כץ ל- Space.com.
תצפיות אלה הביאו לכך ש- IceCube זכה בפרס השנה של הפיזיקה העולמית 2013.
שכר גדול נוסף הגיע ב -4 בדצמבר 2012, אז מצפה המצפה אירוע שהמדענים כינו את ביג בירד, גם הוא מרחוב סומסום. ביג בירד היה נייטרינו עם אנרגיה העולה על 2 רבעון האלקטרונים וולט, גדול יותר ממיליון מיליון מהאנרגיה של רנטגן שיניים, ארוז בתוך חלקיק בודד עם פחות ממיליון ממסת האלקטרון. באותה תקופה זה היה הנייטרינו האנרגטי הגבוה ביותר שאי פעם התגלה; נכון לשנת 2018 היא עדיין במקום השני.
בעזרת טלסקופ החלל "פרמי גמא-קרני גמא" של נאס"א, קשרו המדענים את ביג בירד להתפרצות האנרגטית ביותר של בלייזר המכונה PKS B1424-418. בלייזרים מופעלים על ידי חורים שחורים סופר-מסיביים במרכז הגלקסיה. כאשר החור השחור מפיל את החומר, חלק מהחומר מועבר לסילונים הנושאים כל כך הרבה אנרגיה שהם מגלים את הכוכבים בגלקסיה. המטוסים מאיצים את החומר ויוצרים נייטרינים ושברי אטומים היוצרים כמה קרניים קוסמיות.
החל מקיץ 2012, הבלאזר זרחה בקרני גמא בין 15 ל -30 פעמים בהשוואה לממוצע לפני ההתפרצות. תוכנית תצפית ארוכת טווח בשם TANAMI, אשר עקבה באופן שגרתי אחר כמעט 100 גלקסיות פעילות בשמיים הדרומיים, חשפה כי ליבת המטוס של הגלקסיה התבהרה ארבע פעמים בין 2011 ל -2013.
בהודעת 2016, אמר אדוארדו רוז, ממכון מקס פלאנק לאסטרונומיה (MPIfR) בגרמניה, "אף אחד מהגלקסיות שלנו שנצפתה על ידי TANAMI במהלך חיי התוכנית לא הציג שינוי כה דרמטי". הצוות חישב ששני האירועים קשורים זה בזה.
מתיאס קדלר, פרופסור לאסטרופיזיקה מאוניברסיטת וירצבורג שבאוניברסיטת וירצבורג, אמר: "אם לוקחים בחשבון את כל התצפיות נראה כי לבלייזר היו אמצעים, מניע והזדמנות לפטר את נייטרינו ביג בירד, מה שהופך אותו לחשוד העיקרי שלנו. גרמניה. "
ביולי 2018, IceCube הודיעה כי לראשונה היא עקבה אחר נייטרינים חזרה לבלזאר המקור שלהם. בספטמבר 2017, בזכות מערכת התרעה שהותקנה לאחרונה ששידרה למדענים ברחבי העולם תוך דקות מגילוי מועמד נייטרינו חזק, הצליחו החוקרים להפוך במהירות את הטלסקופים שלהם לכיוון שמקורו של האות החדש. פרמי התריע בפני החוקרים לנוכחות בלייזר פעיל, המכונה TXS-0506 + 056, באותו החלק של השמים. תצפיות חדשות אישרו כי הבלאזר התלקח, ופולט פרצי אנרגיה בהירים מהרגיל.
לרוב, TXS הוא בלייזר טיפוסי; זה אחד ממאה הבלזארים הבהירים ביותר שזוהה על ידי פרמי. עם זאת, בעוד ש -99 האחרים הם גם בהירים, הם לא הטילו נייטרינים לעבר IceCube. בחודשים האחרונים TXS מתרחבת, מתבהרת ומעומעמת פי מאה מהשנים הקודמות.
גרגורי סיבקוף, מהאוניברסיטה, "מעקב אחר אותו נייטרינו בעל אנרגיה גבוהה שאיתר IceCube בחזרה ל- TXS 0506 + 056 הופך את זה לראשונה שהצלחנו לזהות אובייקט ספציפי כמקור אפשרי לניטרינו כה אנרגיה גבוהה." מהאלברטה בקנדה, אמר בהצהרה.
IceCube עדיין לא סיים. מערכת ההתראה החדשה תשמור על אסטרונומים על קצות אצבעותיהם בשנים הבאות. המצפה אורך חיים מתוכנן של 20 שנה, כך שיש לפחות עוד עשור של תגליות מדהימות שמגיעות מהמצפה הכוכב הקוטבי הדרומי.
