Αναζητώντας τα πιο ενεργητικά σωματίδια του σύμπαντος, οι αστρονόμοι ανοίγουν το ραδιόφωνο

Από την ανακάλυψή τους τη δεκαετία του 1960, οι κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας έχουν γοητεύσει τους επιστήμονες, οι οποίοι αναρωτιούνται από πού προέρχονται. Όπως όλες οι κοσμικές ακτίνες, αναμφισβήτητα ονομάζονται λάθος:δεν είναι «ακτίνες» ακτινοβολίας αλλά μάλλον υποατομικά σωματίδια, όπως πρωτόνια ή ακόμη και ολόκληροι πυρήνες, που διασχίζουν το διάστημα. Τέτοιες υπερυψηλές ενέργειες προέρχονται από εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες, που πλησιάζουν αυτή του ίδιου του φωτός.

Για να θεωρηθεί «υπερυψηλή», μια κοσμική ακτίνα πρέπει να φέρει την τάξη ενός πεμπτουσιόν ηλεκτρονιοβολτ, ή 1.000 πετα-ηλεκτρονιοβολτ (PeV), κινητικής ενέργειας—περίπου το ένα εκατοστό αυτής που θα απαιτούνταν για να αξιοποιηθεί ένας μεμονωμένος χαρακτήρας. ένα πληκτρολόγιο. Η συμπίεση τόσο πολλής ενέργειας σε ένα τόσο μικροσκοπικό αντικείμενο - ένα τρισεκατομμύριο φορές μικρότερο από ένα κόκκο σκόνης - υπερβαίνει κατά πολύ τις δυνατότητες των επιταχυντών της ανθρωπότητας, οι οποίοι, στην καλύτερη περίπτωση, καταφέρνουν να παράγουν σωματίδια περίπου με την ενέργεια μιας ιπτάμενης σκνίπας.

Και όσο εντυπωσιακή μπορεί να είναι μια μέση υπερυψηλής ενέργειας κοσμική ακτίνα, οι πολύ σπάνιες υπερεπιτυχίες που κατάφεραν να παρατηρήσουν οι ερευνητές είναι πραγματικά εκπληκτικές, μεταφέροντας ενέργειες έως και 300 φορές μεγαλύτερες—ένα επιβλητικό 300.000 PeV. Για λόγους αναφοράς, αυτό σημαίνει ότι ένα ιδιαίτερα γρήγορο υποατομικό βλήμα που εκτοξεύεται από το βαθύ διάστημα μπορεί να γεμίσει το πόδι μιας καλά χτυπημένης μπάλας του τένις.

Οι αστροφυσικοί δεν γνωρίζουν ακόμη τι ακριβώς επιταχύνει αυτά τα σωματίδια σε τέτοιες γελοίες ταχύτητες, αλλά επιθυμούν απεγνωσμένα να το ανακαλύψουν. Οι μόνοι πιθανοί ένοχοι είναι πραγματικά κατακλυσμικά γεγονότα - όπως οι εκρηκτικοί θάνατοι τεράστιων αστεριών ή η αδηφάγος τροφοδοσία υπερμεγέθων μαύρων οπών πέρα ​​από τον Γαλαξία - πράγμα που σημαίνει ότι αυτά τα εκπληκτικά σωματίδια πρέπει να είναι αγγελιοφόροι από τα βάθη του εξωγαλαξιακού χώρου, κουβαλώντας μυστικά από μερικά η πιο ακραία φυσική στο σύμπαν.

Υπάρχει, ωστόσο, ένα μεγάλο πρόβλημα. Ως φορτισμένα σωματίδια, όλες οι κοσμικές ακτίνες εκτρέπονται στα ταξίδια τους από τυχόν ηλεκτρομαγνητικά πεδία με τα οποία έρχονται σε επαφή, καθιστώντας σχεδόν αδύνατο τον εντοπισμό τους πίσω στην πραγματική ουράνια προέλευσή τους. Ευτυχώς, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η φύση προσφέρει έναν άλλο δρόμο προς τα εμπρός:τη μελέτη των νετρίνων, ηλεκτρικά ουδέτερων σωματιδίων που πιστεύεται ότι παράγονται στις ίδιες πηγές με τις ίδιες τις κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας.

«Σκέφτομαι τα νετρίνα ως το τέλειο σωματίδιο αγγελιοφόρου», λέει η Abigail Vieregg, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. "Είναι μοναδικοί στο ότι ταξιδεύουν από πολύ μακριά στο σύμπαν χωρίς να αλληλεπιδρούν με τίποτα ή να λυγίζουν σε μαγνητικά πεδία στο δρόμο τους εδώ."

Διερεύνηση του Σύμπαντος με νετρίνα

Ένα μέσο νετρίνο έχει 50–50 πιθανότητες να περάσει από ένα ολόκληρο έτος φωτός μολύβδου —9,5 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα πυκνού μετάλλου— εντελώς αλώβητο. Αυτή η βαθιά μακροθυμία δίνει στα σωματίδια ένα πλεονέκτημα έναντι άλλων αγγελιοφόρων:επειδή σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη, τα νετρίνα κατευθύνονται κατευθείαν πίσω από το σημείο από όπου προήλθαν. Αλλά αυτό είναι ένα δίκοπο μαχαίρι. Μια αναπόφευκτη συνέπεια της διέλευσης του σύμπαντος σαν να ήταν διαφανές είναι ότι τα νετρίνα συνήθως περνούν μέσω ανιχνευτών στη Γη με τον ίδιο τρόπο —χωρίς ίχνος.

Για να αυξήσουν τις πιθανότητες να δουν ένα νετρίνο, οι επιστήμονες πρέπει να κατασκευάσουν γιγάντιους ανιχνευτές όπως το πείραμα IceCube στο Νότιο Πόλο, το οποίο αποτελείται από ένα κυβικό χιλιόμετρο πάγου της Ανταρκτικής εξοπλισμένο με μια σειρά οπτικών αισθητήρων. Ως το μεγαλύτερο παρατηρητήριο νετρίνων στον κόσμο, το IceCube αναζητά λάμψεις φωτός που εκπέμπονται από βροχές φορτισμένων σωματιδίων που παράγονται όταν τα νετρίνα συγκρούονται με μόρια στον πάγο. Το 2018 το IceCube ανέφερε ένα νετρίνο από ένα γιγάντιο blazar. Και μόλις τον Φεβρουάριο, είδε στοιχεία για ένα νετρίνο από ένα αστέρι που διασπάστηκε από μια μαύρη τρύπα.

Αλλά στις υψηλότερες ενέργειες, «το IceCube απλώς τελειώνει από ατμό», λέει ο Vieregg, σημειώνοντας ότι θα χρειάζονταν τουλάχιστον 100 κυβικά χιλιόμετρα πάγου για να έχουμε εύλογες πιθανότητες να παρατηρήσουμε τα οπτικά ίχνη των νετρίνων υπερυψηλής ενέργειας επειδή τα σωματίδια επιταχύνθηκαν σε τέτοια οι ακραίες ταχύτητες είναι εξαιρετικά σπάνιες. Το πρόβλημα έγκειται στην απόσταση μεταξύ των μονάδων ανίχνευσης:το φως μπορεί να ταξιδέψει μόνο μερικές δεκάδες μέτρα στον πάγο πριν διασκορπιστεί ή απορροφηθεί, επομένως η οπτική συστοιχία πρέπει να είναι πυκνή, περιορίζοντας αυστηρά το εφικτό μέγεθος του ανιχνευτή.

Έτσι, οι πηγές σωματιδίων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας παραμένουν άγνωστες, επειδή ένα παρατηρητήριο τύπου IceCube 100 κυβικών χιλιομέτρων ξεπερνά τα όρια της τεχνικής και οικονομικής σκοπιμότητας. Στην προσπάθειά τους να παρατηρήσουν το πρώτο νετρίνο υπερυψηλής ενέργειας, οι αστροφυσικοί αντ' αυτού έχουν στρέψει το ενδιαφέρον τους στην πιο οικονομική προσέγγιση της ραδιοανίχνευσης. Τα ραδιοκύματα μπορούν να ταξιδέψουν εκατοντάδες μέτρα μακρύτερα στον πάγο από το οπτικό φως, επομένως μπορεί να κατασκευαστεί μια πιο αραιή διάταξη μονάδων ανίχνευσης για να καλύψει πολύ μεγαλύτερο όγκο με ένα κλάσμα του κόστους.

«Το ραδιόφωνο είναι το μέλλον», λέει η Τόνια Βέντερς, αστροφυσικός στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Γκόνταρντ της NASA. "Το βλέπω ως μια συμπληρωματική ανίχνευση με τη δυνατότητα να κάνει αυτό που θεωρούμε πολύ δύσκολο με άλλες τεχνικές ανίχνευσης."

Ραδιοεκπομπή Νετρίνων

Η ραδιοεκπομπή ντους φορτισμένων σωματιδίων σε υλικά όπως ο πάγος είναι ακόμη πιο έντονη από τα οπτικά σήματα σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, καθιστώντας το έναν ελκυστικό ανιχνευτή στο ακραίο σύμπαν. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως το φαινόμενο Askaryan, από τον Ρωσο-Αρμένιο φυσικό Gurgen Askaryan, ο οποίος το προέβλεψε για πρώτη φορά το 1962.

Ωστόσο, οι πρώτες προσπάθειες παρατήρησης του φαινομένου Askaryan αποδείχθηκαν ανεπιτυχείς, οδηγώντας σε ευρέως διαδεδομένο σκεπτικισμό ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην ανίχνευση σωματιδίων υπερυψηλής ενέργειας. «Υπήρχε μεγάλη αμφιβολία για το αν αυτό ήταν πραγματικό αποτέλεσμα», λέει ο Peter Gorham, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης στο Mānoa. "Δεν το έπαιρναν αυτό στα σοβαρά πολλοί φυσικοί σωματιδίων υψηλής ενέργειας."

Ωστόσο, μια μικρή αλλά ανθεκτική ομάδα φυσικών επέμενε και το πεδίο έφτασε σε σημείο καμπής το 2000, όταν επιβεβαίωσαν το φαινόμενο Askaryan στο πίσω μέρος ενός τρέιλερ στο Stanford Linear Accelerator Center (SLAC).

Τώρα, σχεδόν 60 χρόνια μετά την πρόβλεψη του Askaryan, η ανίχνευση νετρίνων στο σύστημα ραδιοφώνου μόλις απογειώνεται. «Η νέα φυσική που μπορεί να βγει δεν είναι καν κάτι που μπορούμε να ονειρευόμαστε», λέει ο Gorham, ο οποίος ήταν μέλος της ομάδας της SLAC. "Θα μάθουμε για τη φύση των κοσμικών επιταχυντών και θα παρατηρήσουμε περιοχές του ενεργειακού χώρου στις οποίες δεν μπορούμε να έχουμε πρόσβαση με άλλο τρόπο."

Προσπάθειες ραδιοφώνου επόμενης γενιάς

Με επικεφαλής τον Gorham στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης στο Mānoa, μια πρωτοποριακή προσπάθεια στη ραδιοαστρονομία νετρίνων ήταν η ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna), η οποία άρχισε να συλλέγει δεδομένα το 2006. Αποτελείται από ένα προοδευτικά ενημερωμένο σύνολο κεραιών που κρέμονται κάτω από ένα γιγάντιο μπαλόνι ηλίου ANITA. διεξήγαγε τέσσερις περίπου μηνιαίες εκστρατείες παρατήρησης σε μια περίοδο 10 ετών, κάθε φορά εκτοξεύοντας αρκετά χιλιόμετρα στον αέρα για να σαρώσει το στρώμα πάγου της Ανταρκτικής παρακάτω για σημάδια ραδιοεκπομπής από κρούσεις νετρίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.

Τον Ιανουάριο η NASA χρηματοδότησε το Payload for Ultrahigh Energy Observations (PUEO), ένα πείραμα επόμενης γενιάς που θα κατασκευαστεί από την κληρονομιά της ANITA. Η προοπτική τους σε μεγάλο υψόμετρο δίνει στους ανιχνευτές που μεταφέρονται με μπαλόνια, όπως οι ANITA και PUEO, ένα μοναδικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα επίγεια πειράματα, επειδή μπορούν να παρακολουθούν περισσότερα από ένα εκατομμύριο τετραγωνικά χιλιόμετρα πάγου στις αναζητήσεις τους σε νετρίνα. Η πρώτη πτήση του PUEO αναμένεται το 2024 και θα ενσωματώσει πολλαπλές τεχνολογικές εξελίξεις σε σχέση με το ANITA για αυξημένη ευαισθησία σε περισσότερες ενέργειες, καθώς και υψηλότερο ρυθμό συμβάντων νετρίνων.

Αλλά το διευρυμένο οπτικό πεδίο που υπερηφανεύεται από τις αναζητήσεις με μπαλόνια αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι, ακριβώς επειδή οι συστοιχίες κεραιών πετούν τόσο πολύ πάνω από τον πάγο, μπορεί να μην μπορούν να δουν ραδιοεκπομπές από πιο αμυδρά σήματα νετρίνων. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι η πραγματικότητα των δύσκολων καιρικών συνθηκών:οι κακές συνθήκες αποτελούν τακτική διακοπή για κάθε είδους εργασία με μπαλόνια πάνω από το στρώμα πάγου της Ανταρκτικής. Για να αντιμετωπίσουν αυτά τα προβλήματα, οι αστροφυσικοί υιοθετούν μια προσέγγιση «καλύτερων και των δύο κόσμων», δημιουργώντας νέες ραδιοσυστοιχίες μέσα σε μεγάλους όγκους πάγου που μπορούν στη συνέχεια να λειτουργήσουν παράλληλα με πειράματα με μπαλόνια για μια ευρύτερη ενεργειακή κάλυψη. Πριν από μια σειρά μικρότερων προσπαθειών, οι ερευνητές προετοιμάζονται για την εγκατάσταση του Παρατηρητηρίου Ραδιονετρίνο στη Γροιλανδία (RNO-G), ένα πείραμα στον πάγο με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

«Ο RNO-G θα είναι ο μεγαλύτερος ραδιοανιχνευτής που κατασκευάστηκε ποτέ σε πάγο, με 35 σταθμούς κεραιών που θα εγκατασταθούν τα επόμενα τρία χρόνια», λέει η Stephanie Wissel, αστροφυσικός του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια που συμμετείχε στην κατασκευή του αστεροσκοπείου. Πολλοί ερευνητές είναι αισιόδοξοι ότι το RNO-G θα επιτρέψει σύντομα μια πρώτη ματιά στο ακραίο σύμπαν με την πρώτη ανίχνευση ενός νετρίνου εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.

Αλλά αν όχι, η ιδέα της συστοιχίας ραδιοφώνου in-ice θα κλιμακωθεί για χρήση στο προτεινόμενο διάδοχο του IceCube, το IceCube-Gen2, το οποίο θα έχει 200 ​​σταθμούς κεραιών που θα περιβάλλουν ένα βελτιωμένο οπτικό σύστημα. «Το IceCube μπορεί να δει νετρίνα μέχρι περίπου 10 πετα-ηλεκτρονιοβολτ. Αλλά με το πρόσθετο στοιχείο ραδιοφώνου, αυτό θα ανέλθει σε χιλιάδες ή ακόμα και εκατοντάδες χιλιάδες», λέει ο Vieregg, ο οποίος είναι ο κύριος ερευνητής τόσο του PUEO όσο και του RNO-G. Αυτή η διευρυμένη ενεργειακή εμβέλεια φτάνει μόνο το 10 τοις εκατό του συνολικού προϋπολογισμού του IceCube-Gen2, ένα εντυπωσιακό νεύμα στη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας της ανίχνευσης ραδιοφώνου.

Μια πιο νέα στρατηγική ανίχνευσης θα αναζητήσει ραδιοκύματα από βροχές φορτισμένων σωματιδίων στον αέρα και όχι από πάγο. Τα πρώτα προκύπτουν από τα νετρίνα που αλληλεπιδρούν υπόγεια, κοντά στην επιφάνεια του πλανήτη μας:με τις κατάλληλες συνθήκες, αυτά τα νετρίνα που γυρίζουν τη Γη μπορούν να δημιουργήσουν σωματίδια υψηλής ενέργειας που διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα και διασπώνται σε εκτεταμένες ντους αέρα που εκπέμπουν ραδιόφωνα.

Αυτή είναι η στρατηγική για τη Giant Radio Array for Neutrino Detection, ή GRAND—ένα εύστοχο όνομα για ένα πείραμα του τεράστιου μεγέθους του. Οργανωμένη και χρηματοδοτούμενη από ιδρύματα στη Γαλλία, την Κίνα, την Ολλανδία και τη Βραζιλία, η διεθνής συνεργασία GRAND ελπίζει να ανακαλύψει την προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας με μια φιλόδοξη πρόταση για μια ραδιοσειρά 200.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων (δηλαδή μια συστοιχία περίπου το μέγεθος της Νεμπράσκα).

«Η ιδέα είναι να κατασκευαστεί όχι μία μονολιθική συστοιχία αλλά 20 συστοιχίες των 10.000 κεραιών η καθεμία», λέει ο Mauricio Bustamante, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, ο οποίος συνέγραψε την πρόταση για το GRAND. Οι τοποθεσίες αυτών των συστοιχιών είναι σημαντικές, εξηγεί, επειδή πρέπει να βρίσκονται σε «ήσυχες» περιοχές - μακριά από τεχνητές πηγές σημαντικής ραδιοεκπομπής. Μέχρι σήμερα, το GRAND έχει εντοπίσει μερικές απομακρυσμένες τοποθεσίες στα βουνά Tian Shan της Κεντρικής Ασίας, με σχέδια να αναζητήσει επιπλέον τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο.

Με μια ποικιλία ραδιοφωνικών πειραμάτων επόμενης γενιάς καθ' οδόν, η κοινότητα της αστροφυσικής σφύζει από ιδέες για το τι μπορεί να επιφυλάσσει το μέλλον μετά την εύρεση ενός από τους πιο ενεργητικούς και άπιαστους αγγελιοφόρους της φύσης. «Αναμένω πολύ την ανακάλυψη του πρώτου νετρίνου υπερυψηλής ενέργειας», λέει ο Wissel. "Δεν είμαι σίγουρος ποιο πείραμα θα το κάνει πρώτο, αλλά θα ανοίξει ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν με πολλές δυνατότητες για ανακάλυψη."

Και για τους επιστήμονες που είναι εξοικειωμένοι με την ιστορία του πεδίου, η εξερεύνηση νέων κοσμικών συνόρων είναι μια ωδή στο παρελθόν:η φυσική άκμασε τον 20ο αιώνα μελετώντας ποια σωματίδια προέρχονταν από τον ουρανό. «Είναι μια φυσική τροπή των γεγονότων που επιστρέφουμε ξανά στους κοσμικούς επιταχυντές όταν θέλουμε να μάθουμε περισσότερα από αυτά που μπορούν να μας πουν οι δικές μας μηχανές», λέει ο Bustamante. "Αυτός είναι ο σκοπός της μελέτης των σωματιδίων υψηλότερης ενέργειας του σύμπαντός μας."