Í þessari listsköpun er blazar að hraða róteindum sem framleiða pions, sem framleiða daufkyrninga og gamma geislum. Neutrinos eru alltaf afleiðing af niðurrifsviðbrögðum eins og þeim sem birtast hér. Gamma geislum er hægt að framleiða bæði í Hadronic og rafsegulfræðilegum samskiptum. (ICECUBE / NASA)

A Cosmic First: Ultra-High Energy Neutrinos Found, frá logandi vetrarbrautum um alheiminn

Árið 1987 fundum við neutrino úr annarri vetrarbraut í sprengistjörnu. Eftir 30 ára bið höfum við fundið eitthvað enn betra.

Eitt af stóru leyndardómum vísindanna er að ákvarða ekki aðeins hvað er úti, heldur hvað býr til merkin sem við skynjum hér á jörðinni. Í meira en öld höfum við vitað að rennsli í gegnum alheiminn eru geimgeislar: miklar orkuagnir sem eru upprunnar frá víðar en vetrarbrautin okkar. Þó að nokkrar heimildir um þessar agnir hafi verið greindar, er yfirgnæfandi meirihluti þeirra, þar með talinn þeir sem eru ötulastir, áfram ráðgáta.

Frá og með deginum í dag hefur allt þetta breyst. IceCube samstarfið, þann 22. september 2017, uppgötvaði öfgafullt orku daufkyrningafyrirtæki sem kom á Suðurpólinn og gat greint hvaðan hann var. Þegar röð gamma-geislasjónauka leit á sömu stöðu sáu þeir ekki aðeins merki, þeir greindu blazar, sem varð að logandi augnabliki. Enda hefur mannkynið uppgötvað að minnsta kosti eina uppsprettu sem býr til þessar öfgafullu orkusömu Cosmic agnir.

Þegar svört göt nærast á efni skapa þau sér aðdráttarskífu og tvíhverfa þota hornrétt á hann. Þegar þota frá ofurmagnaðri svarthol bendir á okkur köllum við það annað hvort BL Lacertae hlut eða blazar. Þetta er nú talið vera aðal uppspretta bæði geimgeislanna og daufkyrninga með mikilli orku. (NASA / JPL)

Alheimurinn, hvarvetna sem við lítum til, er fullur af hlutum til að skoða og hafa samskipti við. Mál klumpast saman í vetrarbrautir, stjörnur, reikistjörnur og jafnvel fólk. Geislun streymir um alheiminn og nær yfir allt rafsegulrófið. Og í hverjum rúmmetra sentimetra rýmis má finna hundruð draugalegra, örsmá massa agna, þekkt sem nifteindir.

Að minnsta kosti væri hægt að finna þau, ef þau höfðu samskipti með einhverri merkjanlegri tíðni við eðlilegt mál sem við vitum hvernig á að vinna. Í staðinn yrði daufkyrningafyrirtæki að fara í gegnum ljósár í blýi til að láta 50/50 skot rekast á ögn þar. Í áratugi eftir tillögu sína árið 1930 gátum við ekki greint nifteindina.

RA-6 reactor í kjarnaofni (Republica Argentina 6), en marcha, sem sýnir einkennandi Cherenkov geislun frá hraðari en ljósinu í vatni ögnum sem gefin eru út. Nifteindirnar (eða réttara sagt, antineutrino) sem Pauli kynnti fyrst í 1930, greindust frá svipuðum kjarnaofni árið 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Árið 1956 fundum við þá fyrst með því að setja upp skynjara rétt fyrir utan kjarnakljúfa, aðeins fætur frá því sem nifteindir eru framleiddir. Á sjöunda áratugnum byggðum við nógu stóra skynjara - neðanjarðar, varin fyrir öðrum mengandi agnum - til að finna daufkyrninga sem framleiddir eru af sólinni og vegna árekstra á geislum við andrúmsloftið.

Árið 1987 var það aðeins æðruleysi sem gaf okkur sprengistjörnu svo nálægt heimilinu að við gátum greint nifteinda úr því. Tilraunir, sem voru framkvæmdar í öllu ótengdum tilgangi, uppgötvuðu daufkyrningafyrirtækin frá SN 1987A og hófust á tímum fjölskipunarstjörnufræðinnar. Neutrinos, eins langt og við gátum vitað, fóru um alheiminn með orku sem ekki er hægt að greina frá ljóshraða.

Leifar supernova 1987a, sem staðsett er í Stóra Magellanic skýinu í um 165.000 ljósára fjarlægð. Sú staðreynd að nifteindir komu klukkustundum áður en fyrsta ljósmerkið kenndi okkur meira um tímalengd sem það tekur ljós til að breiða út í gegnum stjörnulög supernova en það gerði um hraðann sem nifteindir fóru á, sem ekki var hægt að greina frá ljóshraða. Neutrinos, ljós og þyngdaraflið virðast allir ferðast á sama hraða núna. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA MYNDATEXTI HÆTTIR LIBERATOR)

Í um 30 ár voru daufkyrningarnir frá þeirri sprengistjörnu einu neutrínarnir sem við höfum nokkru sinni staðfest að væru utan okkar eigin sólkerfis, miklu minna heima vetrarbrautarinnar okkar. En það þýðir ekki að við fengum ekki fjarlægari daufkyrninga. það þýddi einfaldlega að við gátum ekki borið kennsl á þá með neinum þekktum uppruna á himni með öflugum hætti. Þrátt fyrir að daufkyrningafólk hafi aðeins mjög veikt efni, eru þeir líklegri til að hafa samskipti ef þeir eru ofar með orku.

Það er þar sem IceCube neutrino stjörnustöðin kemur inn.

IceCube stjörnuathugunarstöðin, fyrsta nifteindarathugunarstöðin sinnar tegundar, er hönnuð til að fylgjast með þessum fimmti, orkuörðu undir ís á Suðurskautslandinu. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Djúpt innan suðurpólsins umlykur IceCube rúmmetra af föstu efni og leitar að þessum nánast fjöldalausu daufkyrningum. Þegar nifteindir fara um jörðina eru líkur á samspili við ögn þar. Samspil mun leiða til þess að agnir sturta upp, sem ættu að vera ósegjanlegar undirskriftir í skynjaranum.

Á þessari mynd hefur daufkyrningafræðingur haft samskipti við ís sameind og framleitt aukakorn - múon - sem hreyfist á afstæðishraða í ísnum og skilur eftir sig blátt ljós eftir það. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Á þeim sex árum sem IceCube hefur verið í gangi hafa þeir greint meira en 80 háorku, Cosmic neutrino með orku yfir 100 TeV: meira en tífalt hærri orku sem allir agnir náðu við LHC. Sumir þeirra hafa meira að segja skorið PeV kvarðann og náð orku sem er þúsund sinnum meiri en það sem þarf til að búa til jafnvel þyngstu þekktu grundvallaragnirnar.

En þrátt fyrir öll þessi daufkyrningafyrirtæki sem eru komin á jörðina, höfum við ekki nokkru sinni borið þá saman við uppsprettu himinsins sem býður upp á endanlegan stað. Það er gríðarlegur árangur að uppgötva þessa daufkyrninga en nema við getum fylgst með þeim raunverulegum hlut sem sést hefur í alheiminum - til dæmis er það einnig áberandi í einhvers konar rafsegulsljósi - við höfum enga hugmynd um hvað skapar þau.

Þegar daufkyrningafræðingur hefur samskipti við tæra ísinn á Suðurskautslandinu framleiðir það afleiddar agnir sem skilja eftir leifar af bláu ljósi þegar þær ferðast um IceCube skynjarann. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Fræðimenn hafa ekki átt í neinum vandræðum með að koma með hugmyndir, þar á meðal:

  • sprengistjörnur, sú ofurkennandi af öllum ofurfyrirsætunum,
  • gammageisli springur,
  • logandi svarthol,
  • eða fjórðunga, stærstu, virku svörtu götin í alheiminum.

En það þyrfti sannanir til að ákveða það.

Dæmi um há-orku daufkyrningafyrirkomulag sem IceCube fannst: 4,45 PeV daufkyrningur sló á skynjara aftur árið 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube hefur fylgst með og gefið út útgáfur með hverju öfgafullu orku nifteindasafni sem þeir hafa fundið. 22. september 2017 sást annar slíkur atburður: IceCube-170922A. Í útgáfunni sem kom út sögðu þeir eftirfarandi:

Þann 22. september 2017 uppgötvaði IceCube laglíkan, mjög orkugjafaviðburð með miklum líkum á að vera af astrophysical uppruna. Atburðurinn var auðkenndur með vali á atburði í Extremely High Energy (EHE). IceCube skynjarinn var í venjulegu ástandi. Atburðir í EHE hafa venjulega daufkyrningahlutfall sem er utan skynjara, framleiðir múon sem fer yfir skynjara og hefur hátt ljósstig (umboð fyrir orku).
Cosmic geislar sturtu agnir með því að slá róteindir og frumeindir í andrúmsloftinu, en þær gefa einnig frá sér ljós vegna Cherenkov geislunar. Með því að fylgjast með bæði geimgeislum af himni og daufkyrningum sem slá á jörðina getum við notað tilviljanir til að afhjúpa uppruna beggja. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Þessi viðleitni er áhugaverð, ekki bara fyrir daufkyrninga, heldur fyrir geimgeislana almennt. Þrátt fyrir þá staðreynd að við höfum séð milljónir Cosmic geislum af mikilli orku í meira en heila öld, skiljum við ekki hvaðan flestir eiga uppruna sinn. Þetta á við um róteindir, kjarna og daufkyrninga sem eru búnir til bæði við upptökin og í gegnum hellings / sturtur í andrúmsloftinu.

Þess vegna er það heillandi að ásamt viðvöruninni gaf IceCube einnig hnit fyrir það hvar þetta daufkyrningafræðingur hefði átt að eiga uppruna sinn á himni í eftirfarandi stöðu:

  • RA: 77,43 gráður (-0,80 gráður / + 1,30 gráður 90% PSF innilokun) J2000
  • Des: 5,72 gráður (-0,40 gráður / + 0,70 gráður 90% PSF innilokun) J2000

Og það leiddi áheyrnarfulltrúa, sem reyndu að framkvæma eftirfylgniathuganir um rafsegulrófið, að þessum hlut.

Tilkoma listamannsins á virka vetrarbrautarkjarnann. Ofurmassaða svartholið í miðju aðdráttarskífunnar sendir þrönga orkuþotu út í geiminn, hornrétt á diskinn. Blazar í um 4 milljörðum ljósára fjarlægð er uppruni þessara geimgeislanna og daufkyrninga. (DESY, Vísindasamskiptamerki)

Þetta er blazar: ofurmassað svarthol sem er í virku ástandi, nærir efni og flýtir fyrir miklum hraða. Blazars eru alveg eins og fjórðungar, en með einum mikilvægum mun. Þó að hægt sé að stilla fjórðunga í hvaða átt sem er, þá mun blazar alltaf hafa einn af þotum sínum beint á jörðina. Þeir eru kallaðir blazars vegna þess að þeir „loga“ rétt hjá þér.

Þessi tiltekni blazar er þekktur sem TXS 0506 + 056, og þegar fjöldi stjörnuathugunarstöðva, þar á meðal Fermi stjörnustöð NASA og jörðu niðri MAGIC sjónaukinn á Kanaríeyjum, uppgötvaði gammageislana sem komu frá honum strax.

Um það bil 20 stjörnustöðvar á jörðu niðri og í geimnum gerðu eftirfylgniathuganir á þeim stað þar sem IceCube fylgdist með neutrino í september síðastliðnum, sem gerði kleift að auðkenna það sem vísindamenn telja vera uppspretta mjög mikilli orku daufkyrninga og þar með kosmískum geislum. Að auki daufkyrninga, voru athuganir, sem gerðar voru yfir rafsegulitrófinu, gammargeislar, röntgengeislar og sjón- og geislunargeislun. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Ekki nóg með það, heldur þegar nifteindin komu, reyndist blazarinn vera í blysandi ástandi, sem samsvarar virkustu útstreymi sem slíkur hlutur upplifir. Þar sem útstreymi náði hámarki og eb, fóru vísindamenn, sem tengjast IceCube, í áratug verðmæta skráa fyrir blossinn 22. september 2017 og leituðu að öllum daufkyrningafyrirkomulagi sem eiga uppruna sinn í stöðu TXS 0506 + 056.

Skjótur fundur? Neutrinos kom frá þessum hlut í mörgum springum og spannaði mörg ár. Með því að sameina daufkyrningaathuganir og rafsegulfræðilegar athuganir höfum við með fullum krafti getað komist að því að orku daufkyrningafyrirtæki eru framleidd af blazars og að við höfum getu til að greina þau, jafnvel úr svo mikilli fjarlægð. TXS 0506 + 056, ef þú varst forvitinn, er staðsett í um 4 milljarða ljósára fjarlægð.

Blazar TXS 0506 + 056 er fyrsta auðkennda uppspretta orku daufkyrninga og geimgeisla. Þessi líking, byggð á mynd af Orion eftir NASA, sýnir staðsetningu blazarins, sem staðsettur er á næturhimninum rétt við vinstri öxl stjörnumerkisins Orion. Uppruni er um 4 milljarðar ljósára frá jörðinni. (ICECUBE / NASA / NSF)

Gríðarlega mikið er hægt að læra af þessari einu athugun margra boðbera.

  • Sýnt hefur verið fram á að Blazars er að minnsta kosti ein uppspretta kosmískra geisla.
  • Til að framleiða daufkyrninga þarf þú rotnandi hluti og þær eru framleiddar með hraðari róteindum.
  • Þetta veitir fyrstu endanlega vísbendingar um hröðun róteinda með svartholum.
  • Þetta sýnir einnig að blazar TXS 0506 + 056 er ein lýsandi uppspretta alheimsins.
  • Að lokum, frá meðfylgjandi gammageislum, getum við verið viss um að kosmískir daufkyrningar og geimgeislar, að minnsta kosti stundum, eiga sameiginlegan uppruna.
Snyrtivörur geislar framleiddir af orkugjafa af mikilli orku, geta náð yfirborði jarðar. Þegar Cosmic geisli rekst á ögn í andrúmslofti jarðar framleiðir það sturtu af agnum sem við getum greint með fylki á jörðu niðri. Enda höfum við afhjúpað helstu heimildir um þá. (ASPERA SAMLING / ASTROPARTICLE ERANET)

Að sögn Frances Halzen, aðalrannsakanda IceCube neutrino Observatory,

Það er athyglisvert að almenn samstaða var í stjörnufræði samfélaginu um að blazars væru ólíklegir uppsprettur heimsgeislanna, og hér erum við… Hæfileikinn til að skjóta sjónaukum á heimsvísu til að komast að uppgötvun með ýmsum bylgjulengdum og ásamt nifteind skynjara eins og IceCube markar tímamót í því sem vísindamenn kalla „fjölskilaboðastjörnufræði.“

Tími stjörnufræðinga margra boðbera er formlega hér og nú höfum við þrjár fullkomlega óháðar og óhefðbundnar leiðir til að horfa til himins: með ljósi, með daufkyrningum og með þyngdarbylgjum. Við höfum komist að því að blazars, sem einu sinni var talinn ólíklegur frambjóðandi til að búa til orku daufkyrninga og geimgeisla, skapa í raun bæði.

Þetta er svipur listamanns á fjarlægum kvasar 3C 279. Tvíhverfa þoturnar eru algeng einkenni, en það er mjög óalgengt að slíkri þotu sé beint beint á okkur. Þegar það gerist höfum við Blazar, sem nú er staðfestur, að er uppspretta bæði há-orku kosmískra geisla og þeirra öfgafullu orku daufkyrninga sem við höfum verið að sjá í mörg ár. (ESO / M. KORNMESSER)

Nýtt vísindasvið, það sem er í orku nifteinda stjörnufræði, setur opinberlega af stað með þessa uppgötvun. Neutrinos eru ekki lengur aukaafurð annarra víxlverkana, né kosmísk forvitni sem nær varla út fyrir sólkerfið okkar. Í staðinn getum við notað þau sem grundvallarannsókn alheimsins og grunnlögmál eðlisfræðinnar sjálfrar. Eitt helsta markmiðið í uppbyggingu IceCube var að bera kennsl á uppsprettur há-orku kosmískra daufkyrninga. Með því að bera kennsl á blazar TXS 0506 + 056 sem uppsprettu bæði þessara daufkyrninga og gamma geisla er það einn kosmískur draumur sem loksins hefur náðst.

Starts With A Bang er nú á Forbes og endurútgefið á Medium þökk sé stuðningsmönnum okkar Patreon. Ethan hefur verið höfundur tveggja bóka, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.