Το απόκοσμο σωματίδιο που πιάστηκε στον πολικό πάγο οδηγεί με νέο τρόπο να κοιτάξει το σύμπαν

Αν οι αστρονόμοι έχουν δίκιο, ένα φανταστικό σωματίδιο που φώτισε μια οργανωμένη λωρίδα πάγου κάτω από τον Νότιο Πόλο στις 22 Σεπτεμβρίου του περασμένου έτους ήταν ένας αγγελιοφόρος από έναν μακρινό γαλαξία. Το σωματίδιο ήταν νετρίνο, ηλεκτρικά ουδέτερο και σχεδόν χωρίς μάζα, πράγμα που σημαίνει ότι η διαδρομή του μπορούσε να εντοπιστεί πίσω στο εξωγαλαξιακό γεγονός που το δημιούργησε. Με τη βοήθεια του IceCube, του ανιχνευτή της Ανταρκτικής, το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi Gammaray διαπίστωσε ότι το νετρίνο πιθανότατα προήλθε από ένα μακρινό blazar, μια εξαιρετικά φωτεινή πηγή ακτινοβολίας που τροφοδοτείται από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.

Οι αστρονόμοι έχουν δελεαστεί εδώ και καιρό από την προοπτική χρήσης νετρίνων, τα οποία κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και σπάνια αλληλεπιδρούν με άλλη ύλη, για να μάθουν για βίαια κοσμικά γεγονότα. Το νέο εύρημα, αναφέρθηκε σήμερα στο Science , θα μπορούσε να σηματοδοτήσει το ιδρυτικό γεγονός της αστρονομίας των νετρίνων. Η ανίχνευση πυροδότησε επίσης ένα ισχυρό παράδειγμα μιας άλλης νέας τάσης, της αστρονομίας πολλαπλών μηνυμάτων, στην οποία τηλεσκόπια και άλλα όργανα μελέτησαν το φλεγόμενο blazar σε όλα τα μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από τις ακτίνες γάμμα έως τα ραδιοκύματα.

Ένα blazar που παράγει νετρίνα θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην επίλυση ενός μυστηρίου δεκαετιών στην αστρονομία:Από πού προέρχονται τα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας πρωτόνια και άλλοι πυρήνες που βομβαρδίζουν περιστασιακά τη Γη; Γνωστά ως κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας, αυτά τα σωματίδια έχουν ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι έχει παραχθεί ποτέ σε έναν γήινο επιταχυντή σωματιδίων, αλλά το τι τα ωθεί σε τέτοιες κολοσσιαίες ενέργειες είναι άγνωστο. Οι ύποπτοι περιλαμβάνουν αστέρια νετρονίων, εκρήξεις ακτίνων γάμμα, υπερκαινοφανείς και μαύρες τρύπες που εκπέμπουν ακτινοβολία στο κέντρο ορισμένων γαλαξιών, αλλά ανεξάρτητα από την πηγή, τα νετρίνα υψηλής ενέργειας είναι ένα πιθανό υποπροϊόν. Εάν η ομάδα του IceCube έχει δίκιο, τα blazars θα μπορούσαν να είναι η πρώτη επιβεβαιωμένη πηγή αυτών των κοσμικών ακτίνων.

Οι ερευνητές σημειώνουν, ωστόσο, ότι η σύνδεση μεταξύ του νετρίνου και του blazar δεν είναι σταθερή. «Είναι μια πολύ λαχταριστή παρατήρηση και ελπίζω πολύ να επιβεβαιωθεί», λέει ο Pierre Sokolsky από το Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο Salt Lake City. «Αν η ερμηνεία τους για αυτές τις παρατηρήσεις είναι σωστή, θα είναι επαναστατική, εξαιρετική», λέει ο Eli Waxman του Ινστιτούτου Επιστημών Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ. Αλλά, προσθέτει, "ένα εξαιρετικό αποτέλεσμα χρειάζεται εξαιρετική υποστήριξη και η υποστήριξη δεν είναι ακόμα εξαιρετική."

Ολοκληρώθηκε το 2010, ο ανιχνευτής νετρίνων IceCube παγιδεύει αυτά τα άπιαστα σωματίδια σε ένα κυβικό χιλιόμετρο πάγου της Ανταρκτικής. Όταν ένα νετρίνο χτυπά έναν πυρήνα στα παγωμένα μόρια του νερού, άλλα σωματίδια πετούν σε ανάκρουση. Καθώς επιβραδύνουν, εκπέμπουν φως που ονομάζεται ακτινοβολία Cherenkov, την οποία μερικοί από τους ανιχνευτές φωτός 5160 του IceCube μπορεί να συλλάβουν. Με βάση τη θέση, το χρονοδιάγραμμα και τη φωτεινότητα του φωτός που ανιχνεύεται, οι ερευνητές μπορούν να ανακατασκευάσουν τη διαδρομή και την ενέργεια του νετρίνου.

Ένα σόου πολικού φωτός με κοσμική προέλευση

Τα περισσότερα από τα νετρίνα που ανιχνεύθηκαν από το IceCube προήλθαν από κοντά, τα οποία γεννήθηκαν από κοσμικές ακτίνες που χτυπούν την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης. Οι ερευνητές του IceCube εξαλείφουν αυτά που χρησιμοποιούν ποικίλες μεθόδους, αφήνοντας τα πολύ λίγα, πολύ υψηλής ενέργειας νετρίνα, πάνω από 30 τρισεκατομμύρια ηλεκτρον βολτ (TeV). Το 2013, η ομάδα του IceCube αποκάλυψε για πρώτη φορά μια χούφτα τέτοιων γεγονότων, υποστηρίζοντας ότι οι υψηλές ενέργειές τους και άλλες ιδιότητές τους έδειξαν ότι πρέπει να προέρχονται από έξω από τον γαλαξία μας. Ο ανιχνευτής συνεχίζει να αποθηκεύει περίπου δώδεκα νετρίνα υψηλής ενέργειας το χρόνο. όταν αποκτά καθαρό ίχνος με καλά καθορισμένη κατεύθυνση, άλλα τηλεσκόπια παλεύουν για να δουν αν υπάρχει μια προφανής κοσμική πηγή—μέχρι τώρα, χωρίς επιτυχία.

Το 2016 οι χειριστές του IceCube δημιούργησαν μια υπηρεσία ειδοποίησης, με την ελπίδα να αποκτήσουν περισσότερα τηλεσκόπια σε διαφορετικά μήκη κύματος που θα εμπλέκονται στο κυνήγι. Τότε, τον περασμένο Σεπτέμβριο, ο IceCube στάθηκε τυχερός. Ένα ανιχνευμένο νετρίνο, που ονομάστηκε IceCube-170922A και υπολογίστηκε ότι έχει ενέργεια 290 TeV, πρόσφερε μια σχετικά καθαρή διαδρομή πίσω στο διάστημα. Μια αυτόματη ειδοποίηση έσβησε λιγότερο από ένα λεπτό αργότερα.

Αρκετά παρατηρητήρια αρχικά δεν είδαν τίποτα ασυνήθιστο. Έξι ημέρες αργότερα, η ομάδα Fermi ανέφερε ότι ο δορυφόρος είχε διαπιστώσει ότι ένα blazar, γνωστό ως TXS 0506+056 και μόλις 0,1° μακριά από την πίστα νετρίνων που πρότεινε το IceCube, ήταν ιδιαίτερα φωτεινό, αφού είχε αρχίσει να φουντώνει λίγους μήνες νωρίτερα. Σύντομα, περισσότερα από δώδεκα τηλεσκόπια είχαν μελετήσει το blazar. Τα Blazars, όπως και τα κβάζαρ, είναι μακρινοί κοσμικοί φάροι που τροφοδοτούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες παράγουν έντονη ακτινοβολία και πίδακες πυρκαγιάς σωματιδίων από τους πόλους τους. Τα Blazar είναι εξαιρετικά φωτεινά, πιστεύουν οι αστρονόμοι, επειδή οι πίδακες τους τυχαίνει να στοχεύουν κατευθείαν στη Γη.

Ο IceCube και οι άλλοι παρατηρητές εκτιμούν ότι η πιθανότητα το μονοπάτι των νετρίνων και το blazar να συμπίπτουν τυχαία είναι περίπου ένα στο 740. Οι φυσικοί και οι αστρονόμοι, ωστόσο, συνήθως δεν είναι πεπεισμένοι ότι δύο φαινόμενα συνδέονται μέχρι να μην υπάρχει περισσότερο από ένα στα 3,5 εκατομμύρια , ή 5 σίγμα, πιθανότητα σύμπτωσης.

Οι ερευνητές του IceCube έκαναν επίσης δεδομένα σχεδόν μιας δεκαετίας για να δουν εάν μια περίσσεια νετρίνων υψηλής ενέργειας είχε μεταδοθεί από την ίδια τοποθεσία στο παρελθόν. Βρήκαν μια περίοδο 150 ημερών στα τέλη του 2014 και στις αρχές του 2015, όταν το IceCube εντόπισε περίπου 13 περισσότερα νετρίνα από το κανονικό από αυτό το σημείο. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν το TXS 0506+056 φούντωνε εκείνη τη στιγμή, αλλά "το αρχειακό συμβάν ήταν πολύ πιο ενδιαφέρον" από την πρόσφατη ανίχνευση, λέει ο κύριος ερευνητής του IceCube, Francis Halzen, από το Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν στο Μάντισον.

Ο Sokolsky και ο Waxman συμφωνούν ότι η ανίχνευση του IceCube τον Σεπτέμβριο του 2017 θα πρέπει να ενισχύσει τη μακροχρόνια προσπάθεια του έργου να αυξήσει μαζικά το μέγεθος του οργάνου, το οποίο θα αυξήσει επίσης τον αριθμό των νετρίνων που μπορεί να ανιχνεύσει και θα βελτιώσει την ακρίβειά του. Από τότε που κατασκευάστηκε το IceCube, η ομάδα ανακάλυψε ότι ο πάγος είναι πιο διαυγής από ό,τι πιστεύονταν μέχρι τώρα, επομένως πιστεύουν ότι μπορούν να κάνουν το IceCube 10 φορές μεγαλύτερο ενώ διπλασιάζουν μόνο τον αριθμό των ανιχνευτών φωτός, που αντιστοιχεί στο κόστος 280 εκατομμυρίων δολαρίων της αρχικής κατασκευής του. Η ομάδα πρόκειται να ξεκινήσει πειράματα για να το δοκιμάσει. "Με έναν 10 φορές μεγαλύτερο ανιχνευτή, η απάντηση [από πού προέρχονται τα νετρόνια υψηλής ενέργειας] θα ήταν σαφής και προφανής", λέει ο Waxman.