Около четырех миллиардов лет назад, когда планета Земля еще находилась в зачаточном состоянии, ось черной дыры, примерно в один миллиард раз более массивная, чем Солнце, указывала прямо туда, где должна была находиться наша планета 22 сентября 2017 года.
Вдоль оси высокоэнергетическая струя частиц послала фотоны и нейтрино, мчащиеся в нашем направлении со скоростью или около скорости света. Нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе обнаружила одну из этих субатомных частиц - нейтрино IceCube-170922A - и проследила его обратно до небольшого кусочка неба в созвездии Ориона и обнаружила космический источник: пылающую черную дыру размером в миллиард Солнца, 3, 7 миллиарда световых лет от Земли, известные как Blazar TXS 0506 + 056. Blazars были известны в течение некоторого времени. То, что не было ясно, было то, что они могли произвести нейтрино высокой энергии. Еще более захватывающим было то, что такие нейтрино никогда прежде не были прослежены до его источника.
Открытие космического источника нейтрино высоких энергий, впервые объявленное Национальным научным фондом 12 июля 2018 года, знаменует начало новой эры нейтринной астрономии. Стремительно развивающийся с 1976 года, когда первопроходцы-физики впервые попытались построить крупномасштабный высокоэнергетический детектор нейтрино у гавайского побережья, открытие IceCube знаменует собой триумфальное завершение долгой и сложной кампании, проведенной многими сотнями ученых и инженеров - и одновременно рождение совершенно новой отрасли астрономии.
Созвездие Ориона, с яблочком на месте Блазар. (Сильвия Браво Галларт / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Обнаружение двух различных астрономических посланников - нейтрино и света - является мощной демонстрацией того, как так называемая многоотраслевая астрономия может предоставить рычаги, необходимые нам для выявления и понимания некоторых из самых энергичных явлений во вселенной. С момента своего открытия в качестве источника нейтрино менее года назад, Blazar TXS 0506 + 056 стал объектом пристального внимания. Связанный с ней поток нейтрино продолжает обеспечивать глубокое понимание физических процессов, происходящих вблизи черной дыры, и ее мощной струи частиц и излучения, излучаемой почти прямо к Земле из ее местоположения, расположенного недалеко от плеча Ориона.
Как трое ученых из глобальной группы физиков и астрономов, участвовавших в этом замечательном открытии, мы были привлечены к участию в этом эксперименте из-за его откровенной смелости, из-за физической и эмоциональной проблемы работы в долгих сменах в крайне холодном месте при вставке дорогих, чувствительное оборудование в отверстия, просверленные на глубине 1, 5 миль во льду и заставляющие все это работать. И, конечно же, за потрясающую возможность быть первыми, кто заглянет в совершенно новый вид телескопа и увидит, что он открывает о небесах.
**********
На высоте более 9000 футов и при средней летней температуре, редко превышающей -30 градусов по Цельсию, Южный полюс может не показаться вам идеальным местом для каких-либо действий, кроме хвастовства при посещении места, такого солнечного и яркого, что вам нужен солнцезащитный крем для твоих ноздрей. С другой стороны, как только вы поймете, что высота обусловлена толстым слоем сверхчистого льда, сделанного из нескольких сотен тысяч лет нетронутого снегопада, и что низкие температуры сохранили все это в хорошем состоянии, то это может вас не удивить, что для нейтрино У строителей телескопов научные преимущества перевешивают запретную среду. На Южном полюсе сейчас находится крупнейший в мире нейтринный детектор IceCube.
Март 2015: В лаборатории IceCube на станции Южный полюс Амундсена-Скотта в Антарктике размещаются компьютеры, которые собирают необработанные данные с детектора. Из-за распределения полосы пропускания спутника первый уровень реконструкции и фильтрации событий происходит в этой лаборатории практически в реальном времени. (Эрик Бейзер, IceCube / NSF) Может показаться странным, что нам нужен такой сложный детектор, учитывая, что около 100 миллиардов этих фундаментальных частиц проникают сквозь каждую пиктограмму каждую секунду и легко скользят по всей Земле, не взаимодействуя с одним земным атомом.
Фактически, нейтрино являются вторыми наиболее распространенными частицами, уступающими только космическим микроволновым фоновым фотонам, оставшимся от Большого взрыва. Они составляют четверть известных фундаментальных частиц. Тем не менее, поскольку они едва взаимодействуют с другим вопросом, они, возможно, наименее понятны.
Чтобы поймать горстку этих неуловимых частиц и обнаружить их источники, физикам нужны большие детекторы шириной в один километр, сделанные из оптически прозрачного материала, такого как лед. К счастью, Мать-Природа предоставила эту нетронутую плиту из чистого льда, где мы могли бы построить наш детектор.
Нейтринная обсерватория IceCube оснащена объемом около одного кубического километра чистого антарктического льда с 5160 цифровыми оптическими модулями (DOM) на глубинах от 1450 до 2450 метров. Обсерватория включает в себя плотно оснащенный субдетектор DeepCore и массив наземных воздушных потоков IceTop. (Фелипе Педрерос, IceCube / NSF) На Южном полюсе несколько сотен ученых и инженеров сконструировали и развернули более 5000 отдельных фотодатчиков в 86 отдельных отверстиях глубиной 1, 5 мили, расплавленных в полярной ледяной шапке, с помощью специально разработанного сверла для горячей воды. В течение семи летних сезонов мы установили все датчики. Массив IceCube был полностью установлен в начале 2011 года и с тех пор непрерывно принимает данные.
Этот массив детекторов, связанных со льдом, может с большой точностью определять, когда нейтрино пролетает сквозь него и взаимодействует с несколькими земными частицами, которые генерируют размытые узоры голубоватого черенковского света, испускаемые, когда заряженные частицы движутся в такой среде, как лед, со скоростью, близкой к скорости света.
**********
Ахиллесова пята детекторов нейтрино состоит в том, что другие частицы, возникающие в близлежащей атмосфере, также могут вызывать эти паттерны голубоватого черенковского света. Чтобы устранить эти ложные сигналы, детекторы зарыты глубоко во льду, чтобы отфильтровать помехи, прежде чем они смогут достичь чувствительного детектора. Но, несмотря на то, что IceCube находится почти в миле от твердого льда, он все еще сталкивается с натиском примерно 2500 таких частиц каждую секунду, каждая из которых, вероятно, могла быть вызвана нейтрино.
Учитывая ожидаемую частоту интересных реальных астрофизических нейтринных взаимодействий (например, поступающих нейтрино из черной дыры), колеблющихся примерно один раз в месяц, мы столкнулись с острой проблемой «иголка в стоге сена».
Стратегия IceCube заключается в том, чтобы смотреть только на события с такой высокой энергией, что они крайне маловероятно, что они имеют атмосферное происхождение. С этими критериями отбора и данными за несколько лет IceCube обнаружил астрофизические нейтрино, которые он давно искал, но он не смог идентифицировать отдельные источники - такие как активные ядра галактики или гамма-всплески - среди нескольких десятков нейтрино высокой энергии, которые он был захвачен
Чтобы выявить фактические источники, IceCube начал распространять оповещения о прибытии нейтрино в апреле 2016 года с помощью сети астрофизических обсерваторий с несколькими мессенджерами в штате Пенсильвания. В течение следующих 16 месяцев 11 нейтринных оповещений IceCube-AMON были распространены через AMON и сеть координат гамма-излучения через несколько минут или секунд после обнаружения на Южном полюсе.
22 сентября 2017 года IceCube предупредил международное астрономическое сообщество об обнаружении высокоэнергетического нейтрино. Около 20 обсерваторий на Земле и в космосе провели последующие наблюдения, которые позволили определить, что ученые считают источником нейтрино очень высокой энергии и, следовательно, космических лучей. Помимо нейтрино, наблюдения, сделанные по всему электромагнитному спектру, включали гамма-излучение, рентгеновское излучение, а также оптическое и радиоизлучение. Эти обсерватории находятся в ведении международных групп, в которых в общей сложности работают более 1000 ученых при поддержке финансирующих учреждений в разных странах мира. (Николь Р. Фуллер / NSF / IceCube) **********
Оповещения вызвали автоматическую последовательность рентгеновских и ультрафиолетовых наблюдений с помощью Обсерватории Нила Герилса Свифта НАСА и привели к дальнейшим исследованиям с использованием космического телескопа гамма-излучения Ферми НАСА и массива ядерных спектроскопических ядер и 13 других обсерваторий по всему миру.
Свифт был первой установкой, которая определила вспыхивающий блазар TXS 0506 + 056 как возможный источник нейтринного события. Телескопетен Ферми Большой Области сообщил, что блазар был в пламенном состоянии, испуская намного больше гамма-лучей, чем это было в прошлом. Когда новость распространилась, другие обсерватории с энтузиазмом запрыгнули на подножку, и последовал широкий спектр наблюдений. Наземный телескоп MAGIC отметил, что наше нейтрино прибыло из области, производящей гамма-лучи очень высокой энергии (каждый примерно в десять миллионов раз более энергичный, чем рентгеновский), впервые такое совпадение когда-либо наблюдалось. Другие оптические наблюдения завершили головоломку, измерив расстояние до блазара TXS 0506 + 056: около четырех миллиардов световых лет от Земли.
С первой в мире идентификацией космического источника нейтрино высоких энергий появилась новая ветвь на дереве астрономии. По мере роста нейтринной астрономии высоких энергий с увеличением объема данных, улучшенной координацией между обсерваториями и более чувствительными детекторами мы сможем наносить на карту небо нейтрино с большей и лучшей точностью.
И мы ожидаем, что за этим последуют захватывающие новые прорывы в нашем понимании вселенной, такие как: раскрытие вековой тайны происхождения поразительно энергичных космических лучей; проверка того, является ли само пространство пенистым, с квантовыми флуктуациями на очень малых масштабах расстояний, как это предсказывают некоторые теории квантовой гравитации; и выяснить, как именно космические ускорители, подобные тем, которые окружают черную дыру TXS 0506 + 056, способны разогнать частицы до таких потрясающе высоких энергий.
В течение 20 лет у IceCube Collaboration была мечта определить источники высокоэнергетических космических нейтрино - и эта мечта стала реальностью.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Даг Коуэн, профессор физики и профессор астрономии и астрофизики, государственный университет Пенсильвании
Азаде Кейвани, научный сотрудник, научный сотрудник Колумбийского университета
Дерек Фокс, доцент кафедры астрономии и астрофизики, Университет штата Пенсильвания
