Varför spökpartiklarna som kraschar in i Antarktis kunde förändra astronomi för alltid

Cirka 47 miljoner ljusår från där du sitter, spottar mitten av en galax med svarta hål vid namn NGC 1068 ut strömmar av gåtfulla partiklar. De är neutriner – även kända som de svårfångade “spökpartiklarna” som förföljer vårt universum samtidigt som de lämnar lite spår av deras existens.

Omedelbart efter att ha kommit till, störtar buntar av dessa osynliga bitar över den kosmiska vidden. De går förbi ljusa stjärnor som vi kan se och glider förbi fickor av rymden som kryllar av underverk som vi ännu inte har upptäckt. De flyger och flyger och flyger tills de ibland når jordens sydpol och borrar sig under jorden. Neutrinos resa är sömlös.

Men forskarna väntar tålmodigt på att de ska komma.

Inbäddat i cirka 1 miljard ton is, mer än 2 kilometer (1,24 miles) under Antarktis, ligger IceCube Neutrino Observatory. En neutrinojägare kan man kalla det. Och när några neutriner överför sitt parti till den iskalla kontinenten förblir IceCube vaksam.

I en tidning som publicerades i fredags i tidskriften Science bekräftade det internationella teamet bakom detta ambitiösa experiment att det har hittat bevis på 79 “högenergiutsläpp av neutrino” som kommer från ungefär där NGC 1068 ligger, vilket öppnar dörren för nya – och oändligt fascinerande — typer av fysik. “Neutrino astronomi”, kallar forskare det.

Det skulle vara en gren av astronomi som kan göra vad befintliga grenar helt enkelt inte kan.

Framifrån av IceCube Lab i skymningen, med en stjärnklar himmel som visar en glimt av Vintergatan ovanför och solljus som dröjer kvar vid horisonten.

Martin Wolf, IceCube/NSF

Före idag hade fysiker bara visat neutriner som kommer från antingen solen; vår planets atmosfär; en kemisk mekanism som kallas radioaktivt sönderfall; supernovor; och – tack vare IceCubes första genombrott 2017 – en blazar, eller glupskt supermassivt svart hål som pekade direkt mot jorden. Ett tomrum dubbat TXS 0506+056.

Med denna nyfunna neutrinokälla går vi in ​​i en ny era av partikelns berättelse. I själva verket, enligt forskargruppen, är det troligt att neutriner som härrör från NGC 1068 har upp till miljoner, miljarder, kanske till och med biljoner mängden energi som innehas av neutriner rotade i solen eller supernovor. Det är häpnadsväckande figurer eftersom sådana spöklika bitar i allmänhet är så kraftfulla, men ändå undvikande, att varje sekund, biljoner på biljoner neutriner rör sig rakt igenom din kropp. Du kan bara inte säga.

Och om du ville stoppa en neutrino i dess spår, skulle du behöva bekämpa den med ett blyblock ett ljusårsbrett – även om det även då skulle finnas en liten chans att lyckas. Att utnyttja dessa partiklar, NCG 1068:s version eller inte, kan alltså tillåta oss att penetrera områden i kosmos som vanligtvis ligger utom räckhåll.

Nu då?

Detta enorma ögonblick beror inte bara på att det ger oss fler bevis på en partikel som inte ens tillkännagavs existera förrän 1956, utan också för att neutriner är som nycklar till vårt universums backstage.

De har förmågan att avslöja fenomen och lösa pussel som vi inte kan lösa på något annat sätt, vilket är den främsta anledningen till att forskare försöker utveckla neutrinoastronomi i första hand.

“Universum har flera sätt att kommunicera med oss”, sa Denise Caldwell från National Science Foundation och en medlem av IceCube-teamet till reportrar på torsdagen. “Elektromagnetisk strålning, som vi ser som ljus från stjärnor, gravitationsvågor som skakar rymdens väv – och elementära partiklar, såsom protoner, neutroner och elektroner som spys ut av lokala källor.

“En av dessa elementarpartiklar har varit neutriner som genomsyrar universum, men tyvärr är neutriner mycket svåra att upptäcka.”

Faktum är att till och med galaxen NGC 1068 och dess gigantiska svarta hål vanligtvis skyms av en tjock slöja av damm och gas, vilket gör dem svåra att analysera med vanliga optiska teleskop och utrustning – trots år av forskare som försöker tränga igenom dess gardin. NASA:s rymdteleskop James Webb kan ha ett ben upp i det här fallet på grund av dess infraröda ögon, men neutriner kan vara ett ännu bättre sätt att komma in.

Dessa partiklar förväntas genereras bakom sådana ogenomskinliga skärmar som filtrerar vårt universum, och dessa partiklar kan bära kosmisk information bakom dessa skärmar, zooma över stora avstånd samtidigt som de interagerar med i princip ingen annan materia, och leverera orörd, orörd information till mänskligheten om svårfångade hörn av yttre rymden.

“Vi har väldigt tur, på sätt och vis, eftersom vi kan få tillgång till en fantastisk förståelse för det här objektet,” sa Elisa Resconi, från Münchens tekniska universitet och IceCube-teammedlem, om NGC 1068.

iskub

I denna konstnärliga återgivning, baserad på en verklig bild av IceCube Lab på Sydpolen, avger en avlägsen källa neutriner som detekteras under isen av IceCube-sensorer, kallade DOM.

IceCube/NSF

Det är också anmärkningsvärt att det finns många (många) fler galaxer som liknar NGC 1068 – kategoriserade som Seyfert-galaxer – än det finns blazarer som liknar TXS 0506+056. Detta innebär att IceCubes senaste upptäckt är, utan tvekan, ett större steg framåt för neutrinoastronomer än observatoriets avgörande.

Kanske är huvuddelen av neutriner som sprider sig i universum rotade i NGC 1068 dubbelgångare. Men i det stora perspektivet, finns det mycket mer i neutrinos förtjänster än bara deras källor.

Dessa spöken, som Justin Vandenbroucke från University of Wisconsin-Madison och en IceCube-teammedlem uttryckte det, är lämpliga att lösa två stora mysterier inom astronomi.

Först och främst, en mängd galaxer i vårt universum med gravitationsmässigt monstruösa tomrum i sina centrum, svarta hål som når massor av miljoner till miljarder gånger större än vår sols. Och dessa svarta hål, när de är aktiva, spränger strålar av ljus från deras tarmar – och avger tillräckligt med belysning för att överglänsa varje enskild stjärna i själva galaxen. “Vi förstår inte hur det går till”, sa Vandenbrouke enkelt. Neutrinos kan ge ett sätt att studera områdena runt svarta hål.

För det andra är den allmänna, men ihållande, gåtan av kosmiska strålar.

Vi vet inte riktigt var kosmiska strålar kommer ifrån heller, men dessa partikelsträngar når energier till och bortom miljoner gånger högre än vi kan nå här på jorden med mänskligt konstruerade partikelacceleratorer som den på CERN.

“Vi tror att neutriner har en viss roll att spela,” sa Vandenbroucke. “Något som kan hjälpa oss att besvara dessa två mysterier med svarta hål som driver mycket ljusa galaxer och om ursprunget till kosmiska strålar.”

Ett decennium att fånga en handfull

För att vara tydlig, IceCube fångar inte exakt neutrinos.

I grund och botten berättar detta observatorium för oss varje gång en neutrino råkar interagera med isen som höljer den. “Neutrinos interagerar knappt med materia,” betonade Vandenbrouke. “Men de interagerar ibland.”

När miljontals neutriner skjuter in i den isiga regionen där IceCube är uppställd, tenderar åtminstone en att stöta in i en isfläck, som sedan splittras och producerar en ljusblixt. IceCube-sensorer fångar som blinkar och skickar signalen upp till ytan, meddelanden som sedan analyseras av hundratals forskare.

175237

En återgivning av IceCube-detektorn visar interaktionen mellan en neutrino och en ismolekyl.

IceCube Collaboration/NSF

Tio år av ljus-blixt-data gjorde det möjligt för teamet att i stort sett kartlägga var varje neutrino verkar komma ifrån på himlen. Det blev snart klart att det fanns ett tätt område av neutrino-utsläpp precis där galaxen NGC 1068 är stationerad.

Men även med sådana bevis sa Resconi att teamet visste att “det inte är dags att öppna champagnen, eftersom vi fortfarande har en grundläggande fråga att svara på. Hur många gånger hände den här anpassningen bara av en slump? kommer från ett sådant föremål?”

Ett diagram från IceCubes senaste resultat av himlen.  Den visar var neutriner verkar komma från hela universum och pekar ut de tätaste platserna som källor.

En himmelkarta över sökningen efter punktkällor på norra halvklotet, som visar var neutriner verkar komma från hela universum. Cirkeln för NGC 1068 sammanfaller också med den totalt sett hetaste platsen på den norra himlen.

IceCube-samarbete

Så för att göra saker så konkreta som möjligt, och verkligen, verkligen bevisa att denna galax spottar ut spöken, “har vi genererat 500 miljoner gånger samma experiment,” sa Resconi.

På vilken, jag kan bara föreställa mig, en flaska Veuve äntligen dök upp. Även om jakten inte är över.

“Vi börjar bara skrapa på ytan när det gäller att hitta nya källor till neutriner,” sa Ignacio Taboada från Georgia Institute of Technology och IceCube-teammedlemmen. “Det måste finnas många andra källor långt djupare än NGC 1068, som gömmer sig någonstans att hitta.”

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *