ในการเรนเดอร์แบบศิลปะนี้ blazar กำลังเร่งโปรตอนที่สร้าง pions ซึ่งสร้างนิวตรอนและรังสีแกมม่า นิวตริโนเป็นผลมาจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเช่นที่แสดงไว้ที่นี่เสมอ รังสีแกมมาสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในปฏิกิริยาแบบเฮดรอยด์และแม่เหล็กไฟฟ้า (เร่า / นาซา)

A Cosmic First: พบนิวตรอนพลังงานสูงพิเศษจากกาแลคซีที่ลุกโชติช่วงไปทั่วจักรวาล

ในปี 1987 เราตรวจพบนิวตริโนจากกาแลคซีอื่นในซุปเปอร์โนวา หลังจากรอ 30 ปีเราพบบางสิ่งที่ดีกว่านี้

หนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ทางวิทยาศาสตร์คือการกำหนดไม่เพียง แต่สิ่งที่อยู่ข้างนอก แต่สิ่งที่สร้างสัญญาณที่เราตรวจจับได้ที่นี่บนโลก เป็นเวลากว่าศตวรรษที่เรารู้จักกันดีว่าการซิปผ่านจักรวาลเป็นรังสีคอสมิก: อนุภาคพลังงานสูงที่มาจากกาแลคซีของเรา ในขณะที่มีการระบุแหล่งที่มาของอนุภาคเหล่านี้ แต่ส่วนใหญ่ที่ท่วมท้นรวมถึงแหล่งที่มีพลังมากที่สุดยังคงเป็นปริศนา

ณ วันนี้ทั้งหมดที่มีการเปลี่ยนแปลง ความร่วมมือ IceCube เมื่อวันที่ 22 กันยายน 2017 ตรวจพบนิวตริโนพลังงานสูงพิเศษที่มาถึงขั้วโลกใต้และสามารถระบุแหล่งที่มาได้ เมื่อกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมม่าหลายชุดมองไปที่ตำแหน่งเดียวกันพวกเขาไม่เพียง แต่เห็นสัญญาณเท่านั้น แต่พวกเขาก็ระบุว่าเป็น blazar ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาดังกล่าว ในที่สุดมนุษยชาติได้ค้นพบแหล่งที่มาอย่างน้อยหนึ่งแหล่งที่สร้างอนุภาคของจักรวาลที่มีพลังพิเศษเหล่านี้

เมื่อหลุมดำกินอาหารพวกมันจะสร้างดิสก์สะสมมวลรวมและเจ็ตสองขั้วตั้งฉากกับมัน เมื่อเจ็ตจากหลุมดำมวลมหาศาลมาถึงเราเราเรียกมันว่าวัตถุ BL Lacertae หรือ blazar ตอนนี้ถือว่าเป็นแหล่งสำคัญของทั้งรังสีคอสมิกและนิวตริโนพลังงานสูง (NASA / JPL)

จักรวาลทุกที่ที่เรามองเต็มไปด้วยสิ่งที่ต้องมองและโต้ตอบ สสารนั้นรวมตัวกันเป็นกาแลคซีดวงดาวดาวเคราะห์และแม้แต่ผู้คน การแผ่รังสีไหลผ่านจักรวาลครอบคลุมขอบเขตคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด และในทุก ๆ ลูกบาศก์เซนติเมตรของอวกาศจะพบอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมากที่เรียกว่านิวตริโน

อย่างน้อยพวกเขาสามารถพบได้ถ้าพวกเขามีปฏิสัมพันธ์กับความถี่ที่เห็นคุณค่าได้กับเรื่องปกติที่เรารู้วิธีจัดการ แต่นิวตริโนจะต้องผ่านการเป็นผู้นำในปีแสงเพื่อให้เกิดการปะทะกันของอนุภาคขนาด 50/50 เป็นเวลาหลายทศวรรษหลังจากข้อเสนอในปี 2473 เราไม่สามารถตรวจพบนิวตริโน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทดลอง RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, แสดงให้เห็นถึงลักษณะของรังสีเชอเรนคอฟจากอนุภาคที่เร็วกว่าแสงในน้ำที่ปล่อยออกมา นิวตริโน (หรือมากกว่านั้นอย่างแม่นยำ antineutrinos) ตั้งสมมติฐานแรกโดย Pauli ในปี 1930 ถูกตรวจพบจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่คล้ายกันในปี 1956 (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

ในปีพ. ศ. 2499 เราตรวจพบพวกมันเป็นครั้งแรกโดยการตั้งเครื่องตรวจจับไว้ด้านนอกของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ห่างจากจุดที่ผลิตนิวตรอน ในปี 1960 เราสร้างเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่พอ - ใต้ดินป้องกันจากอนุภาคที่ปนเปื้อนอื่น ๆ - เพื่อค้นหานิวตริโนที่ผลิตโดยดวงอาทิตย์และจากการชนของรังสีคอสมิกกับชั้นบรรยากาศ

จากนั้นในปี 1987 มันเป็นสิ่งบังเอิญเพียงอย่างเดียวที่ทำให้เรามีซุปเปอร์โนวาใกล้กับบ้านซึ่งเราสามารถตรวจพบนิวตริโนจากมัน การทดลองที่ใช้เพื่อจุดประสงค์ที่ไม่เกี่ยวข้องทั้งหมดตรวจพบนิวตริโนจาก SN 1987A ซึ่งนำไปสู่ยุคดาราศาสตร์ดาราศาสตร์แบบหลายผู้ส่งสาร Neutrinos เท่าที่เราสามารถบอกได้เดินทางข้ามจักรวาลด้วยพลังงานที่แยกไม่ออกจากความเร็วแสง

ส่วนที่เหลือของซูเปอร์โนวา 1987a ตั้งอยู่ในเมฆแมกเจลแลนใหญ่ที่อยู่ห่างออกไป 165,000 ปีแสง ความจริงที่ว่านิวตริโนมาถึงหลายชั่วโมงก่อนที่สัญญาณไฟแรกจะสอนเราเกี่ยวกับระยะเวลาที่ใช้แสงในการแพร่กระจายผ่านชั้นของดาวซูเปอร์โนวามากกว่าที่มันทำเกี่ยวกับนิวตริโนความเร็วที่เคลื่อนที่ซึ่งแยกไม่ออกจากความเร็วแสง Neutrinos แสงและแรงโน้มถ่วงปรากฏว่าทุกคนเดินทางด้วยความเร็วเท่ากันตอนนี้ (NOEL CARBONI & โฟโต้ช็อป ESA / ESO / NASA เหมาะกับ LIBERATOR)

30 ปีที่ผ่านมานิวตริโนจากซุปเปอร์โนวานั้นเป็นนิวตริโนเพียงชนิดเดียวที่เรายืนยันว่ามาจากนอกระบบสุริยะของเรา แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเราไม่ได้รับนิวตริโนไกลโพ้นมากขึ้น มันหมายถึงว่าเราไม่สามารถระบุได้อย่างแม่นยำกับแหล่งที่รู้จักในท้องฟ้า ถึงแม้ว่านิวตริโนจะมีปฏิสัมพันธ์กับสสารเพียงเล็กน้อยเท่านั้นพวกมันก็มีแนวโน้มที่จะมีปฏิกิริยาต่อกันหากพวกมันมีพลังงานสูงขึ้น

นั่นคือที่มาของหอสังเกตการณ์นิวตริโน IceCube

หอสังเกตการณ์ IceCube ซึ่งเป็นหอสังเกตการณ์นิวตริโนแห่งแรกได้รับการออกแบบมาเพื่อสังเกตการณ์อนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ที่เข้าใจยากจากใต้น้ำแข็งขั้วโลกใต้ (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

ลึกลงไปในน้ำแข็งขั้วโลกใต้ IceCube ล้อมรอบด้วยวัสดุที่เป็นของแข็งลูกบาศก์กิโลเมตรกิโลเมตรเพื่อค้นหานิวตริโนแบบไร้มวลเหล่านี้ เมื่อนิวตริโนผ่านโลกมันมีโอกาสที่จะมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคในนั้น การทำงานร่วมกันจะนำไปสู่การอาบน้ำของอนุภาคซึ่งควรทิ้งลายเซ็นที่ไม่ผิดเพี้ยนไว้ในเครื่องตรวจจับ

ในภาพประกอบนี้นิวตริโนมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของน้ำแข็งสร้างอนุภาคทุติยภูมิ - มิวออน - ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธภาพในน้ำแข็งทิ้งร่องรอยของแสงสีน้ำเงินที่อยู่ด้านหลัง (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

ในช่วงหกปีที่ IceCube ทำงานพวกเขาได้ตรวจพบนิวตริโนจักรวาลพลังงานสูงมากกว่า 80 ด้วยพลังงานมากกว่า 100 TeV: มากกว่าสิบเท่าพลังงานสูงสุดที่ทำได้โดยอนุภาคใด ๆ ที่ LHC บางส่วนของพวกเขาถึงจุดสูงสุดของระดับ PeV บรรลุพลังงานมากกว่าพันเท่าที่จำเป็นในการสร้างแม้แต่อนุภาคพื้นฐานที่หนักที่สุดที่รู้จัก

ถึงแม้จะมีนิวตริโนทั้งหมดที่มีต้นกำเนิดของจักรวาลที่มาถึงโลกเรายังไม่เคยจับคู่พวกมันกับแหล่งกำเนิดบนท้องฟ้าที่เสนอตำแหน่งที่แน่นอน การตรวจจับนิวตริโนเหล่านี้เป็นผลงานที่ยิ่งใหญ่ แต่ถ้าหากเราไม่สามารถเชื่อมโยงพวกมันกับวัตถุจริงที่สังเกตได้ในจักรวาล - ตัวอย่างเช่นนั้นก็สามารถสังเกตได้ในรูปแบบของแสงแม่เหล็กไฟฟ้า - เราไม่มีเงื่อนงำอะไรกับสิ่งที่สร้างขึ้น

เมื่อนิวตริโนมีปฏิสัมพันธ์ในน้ำแข็งแอนตาร์กติกที่ชัดเจนมันจะผลิตอนุภาคทุติยภูมิที่ทิ้งร่องรอยของแสงสีน้ำเงินเมื่อพวกมันเดินทางผ่านเครื่องตรวจจับ IceCube (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

นักทฤษฎีไม่มีปัญหาที่มากับความคิดรวมไปถึง:

  • ไฮเปอร์โนวาซูเปอร์โนวาที่สุดของซุปเปอร์โนวาทั้งหมด
  • แกมมาระเบิด
  • หลุมดำสว่าง
  • หรือควาซาร์ซึ่งเป็นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดและมีขนาดใหญ่ที่สุดในจักรวาล

แต่จะนำหลักฐานมาตัดสิน

ตัวอย่างของเหตุการณ์ neutrino พลังงานสูงที่ตรวจพบโดย IceCube: a 4.45 PeV neutrino โดดเด่นเครื่องตรวจจับย้อนกลับไปในปี 2014 (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY ของ WISCONSIN-MADISON)

IceCube ติดตามและออกรุ่นด้วยนิวตริโนพลังงานสูงทุกตัวที่พวกเขาค้นพบ เมื่อวันที่ 22 กันยายน 2017 มีเหตุการณ์เช่นนี้อีก: IceCube-170922A ในรุ่นที่ออกไปพวกเขาระบุดังต่อไปนี้:

เมื่อวันที่ 22 ก.ย. 2017 IceCube ตรวจพบเหตุการณ์ที่คล้ายพลังงานสูงมากและน่าจะเป็นแหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์ เหตุการณ์ถูกระบุโดยการเลือกเหตุการณ์การติดตามพลังงานสูงมาก (EHE) เครื่องตรวจจับ IceCube อยู่ในสถานะการทำงานปกติ โดยทั่วไปเหตุการณ์ EHE จะมีจุดสุดยอดการทำงานร่วมกับนิวตริโนซึ่งอยู่นอกตัวตรวจจับสร้างมิวออนที่เคลื่อนที่ไปตามปริมาตรของตัวตรวจจับและมีระดับแสงสูง (พร็อกซีเพื่อพลังงาน)
รังสีคอสมิกอาบน้ำโดยการทำให้โปรตอนและอะตอมโดดเด่นในบรรยากาศ แต่พวกมันก็เปล่งแสงออกมาเนื่องจากรังสีเชอเรนคอฟ ด้วยการสำรวจทั้งรังสีคอสมิกจากท้องฟ้าและนิวตริโนที่โจมตีโลกเราสามารถใช้ความบังเอิญเพื่อค้นพบต้นกำเนิดของทั้งสอง (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

ความพยายามนี้น่าสนใจไม่เพียง แต่สำหรับนิวตริโนเท่านั้น แต่สำหรับรังสีคอสมิกโดยทั่วไป แม้ข้อเท็จจริงที่ว่าเราได้เห็นรังสีคอสมิคนับล้านของพลังงานสูงมานานกว่าศตวรรษ แต่เราไม่เข้าใจว่าส่วนใหญ่มาจากที่ไหน นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับโปรตอนนิวเคลียสและนิวตริโนที่สร้างขึ้นทั้งที่แหล่งกำเนิดและผ่านการลดหลั่นกันลงไป / อาบน้ำในบรรยากาศ

นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมมันถึงน่าทึ่งที่ IceCube ยังให้พิกัดกับที่ซึ่งนิวตริโนนี้ควรเกิดขึ้นบนท้องฟ้าในตำแหน่งต่อไปนี้:

  • RA: 77.43 องศา (-0.80 องศา / + 1.30 องศา 90% PSF บรรจุ) J2000
  • ธันวาคม: 5.72 องศา (-0.40 องศา / + 0.70 องศา 90% PSF บรรจุ) J2000

และนั่นนำไปสู่ผู้สังเกตการณ์ซึ่งพยายามที่จะทำการติดตามผลข้ามสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังวัตถุนี้

ความประทับใจของศิลปินเกี่ยวกับกาแลกติกนิวเคลียส หลุมดำมวลมหาศาลที่จุดศูนย์กลางของดิสก์สะสมมวลสารจะส่งเจ็ทพลังงานสูงที่แคบของสสารเข้าไปในอวกาศในแนวตั้งฉากกับแผ่นดิสก์ ห่างออกไปประมาณ 4 พันล้านปีแสงเป็นที่มาของรังสีคอสมิคและนิวตริโนเหล่านี้ (แล็บวิทยาศาสตร์การสื่อสารแล็บ)

นี่คือ blazar: หลุมดำมวลมหาศาลที่ขณะนี้อยู่ในสถานะแอ็คทีฟกินอาหารและเร่งความเร็วให้มากที่สุด Blazars เป็นเหมือนควาซาร์ แต่มีความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่ง ในขณะที่ควาซาร์สามารถมุ่งเน้นไปในทิศทางใด ๆ blazar จะมีหนึ่งในเครื่องบินไอพ่นของมันชี้ไปที่โลกโดยตรง พวกเขาถูกเรียกว่า blazars เพราะพวกเขา“ ลุกโชน” อยู่ตรงหน้าคุณ

Blazar แห่งนี้เป็นที่รู้จักกันในนาม TXS 0506 + 056 และเมื่อมีการสังหารผู้สังเกตการณ์รวมถึงหอสังเกตการณ์ Fermi ของนาซ่าและกล้องโทรทรรศน์ MAGIC ซึ่งตั้งอยู่บนพื้นดินในหมู่เกาะคานารีพบว่ารังสีแกมมามาจากมันทันที

หอสังเกตการณ์ประมาณ 20 แห่งบนโลกและในอวกาศทำการสำรวจตำแหน่งที่ IceCube ตรวจพบนิวตริโนเมื่อเดือนกันยายนปีที่ผ่านมาซึ่งอนุญาตให้มีการระบุสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นแหล่งกำเนิดของนิวตริโนพลังงานสูงมาก นอกเหนือจากนิวตริโนการสำรวจที่เกิดขึ้นในสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึงรังสีแกมม่ารังสีเอกซ์และการฉายด้วยแสงและคลื่นวิทยุ (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

ไม่เพียงแค่นั้น แต่เมื่อนิวตริโนมาถึง blazar ก็พบว่าอยู่ในสภาพวูบวาบซึ่งสอดคล้องกับการไหลออกของวัตถุที่สัมผัสได้มากที่สุด ตั้งแต่ยอดไหลออกและลดลงนักวิจัยในเครือกับ IceCube ได้ผ่านการบันทึกเป็นระยะเวลาหนึ่งทศวรรษก่อนที่จะเกิดเปลวไฟ 22 กันยายน 2017 และค้นหาเหตุการณ์นิวตริโนที่เกิดขึ้นจากตำแหน่งของ TXS 0506 + 056

ค้นหาได้ทันทีหรือไม่ Neutrinos มาจากวัตถุนี้ในหลาย ๆ ช่วงเวลาหลายปี ด้วยการรวมการสังเกตของนิวตริโนเข้ากับแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เราสามารถสร้างนิวตริโนพลังงานสูงที่ผลิตโดย blazars และเรามีความสามารถในการตรวจจับแม้จากระยะไกล TXS 0506 + 056 ถ้าคุณอยากรู้อยากเห็นอยู่ห่างออกไป 4 พันล้านปีแสง

Blazar TXS 0506 + 056 เป็นแหล่งกำเนิดรังสีนิวตริโนและรังสีคอสมิคซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานแห่งแรก ภาพประกอบนี้ตามภาพของนายพรานโดยนาซ่าแสดงที่ตั้งของ blazar ซึ่งตั้งอยู่ในท้องฟ้ายามค่ำคืนที่อยู่ทางซ้ายของไหล่ซ้ายของกลุ่มดาวนายพราน แหล่งกำเนิดอยู่ห่างจากโลกประมาณ 4 พันล้านปีแสง (เร่า / นาซา / NSF)

จำนวนมหาศาลสามารถเรียนรู้ได้จากการสังเกตหลายคน

  • Blazars ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นแหล่งรังสีคอสมิคอย่างน้อยหนึ่งแหล่ง
  • ในการสร้างนิวตริโนคุณจำเป็นต้องสลายตัว pion ซึ่งจะถูกสร้างโดยโปรตอนที่ถูกเร่ง
  • นี่เป็นหลักฐานที่ชัดเจนครั้งแรกของการเร่งความเร็วของโปรตอนโดยหลุมดำ
  • นี่แสดงให้เห็นว่า blazar TXS 0506 + 056 เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องสว่างที่สุดในจักรวาล
  • ในที่สุดจากรังสีแกมม่าที่ประกอบขึ้นเราสามารถมั่นใจได้ว่านิวตรอนจักรวาลและรังสีคอสมิกอย่างน้อยบางครั้งก็มีจุดกำเนิดร่วมกัน
รังสีคอสมิกที่ผลิตโดยแหล่งพลังงานทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ระดับสูงสามารถไปถึงพื้นผิวโลก เมื่อรังสีคอสมิกชนกับอนุภาคในชั้นบรรยากาศของโลกมันจะก่อตัวเป็นละอองที่เราสามารถตรวจจับได้ด้วยอาร์เรย์บนพื้นดิน ในที่สุดเราได้ค้นพบแหล่งสำคัญของพวกเขา (การร่วมมือกันระหว่าง ASPERA / ASTROPARTICLE ERANET)

ตามที่ Frances Halzen ผู้วิจัยหลักของหอสังเกตการณ์นิวทริโน่ IceCube

เป็นที่น่าสนใจว่ามีความเห็นเป็นเอกฉันท์ในชุมชนดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ไม่น่าจะเป็นแหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกและที่นี่เรา ... ความสามารถในการค้นพบกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลกเพื่อทำการค้นพบโดยใช้ความยาวคลื่นที่หลากหลายและควบคู่กับเครื่องตรวจจับนิวตรอน เช่น IceCube นับเป็นก้าวสำคัญในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "ดาราศาสตร์หลายผู้ส่งสาร"

ยุคของดาราศาสตร์หลายผู้ส่งสารนั้นอยู่ที่นี่อย่างเป็นทางการแล้วและตอนนี้เรามีวิธีการมองท้องฟ้าอย่างอิสระและสมบูรณ์แบบสามแบบด้วยแสงแสงนิวตริโนและคลื่นความโน้มถ่วง เราได้เรียนรู้ว่า blazars ซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นผู้สมัครที่ไม่น่าจะสร้าง neutrinos พลังงานสูงและรังสีคอสมิคได้จริง ๆ แล้วสร้างทั้งสองอย่าง

นี่เป็นความประทับใจของศิลปินที่มีต่อ quasar 3C 279 เครื่องบินไอพ่นสองขั้วเป็นคุณสมบัติทั่วไป แต่เป็นเรื่องแปลกมากที่เจ็ทดังกล่าวจะพุ่งมาหาเราโดยตรง เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้นเรามี Blazar ซึ่งตอนนี้ได้รับการยืนยันว่าเป็นแหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกพลังงานสูงและนิวตริโนพลังงานสูงพิเศษที่เราเคยเห็นมานานหลายปี (ESO / M. KORNMESSER)

สนามวิทยาศาสตร์ใหม่ที่ดาราศาสตร์นิวตรอนพลังงานสูงเปิดตัวอย่างเป็นทางการด้วยการค้นพบนี้ นิวตริโนไม่ได้เป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาอื่น ๆ อีกต่อไปหรือความอยากรู้เกี่ยวกับจักรวาลที่แทบจะไม่ครอบคลุมเกินกว่าระบบสุริยะของเรา แต่เราสามารถใช้พวกมันเป็นเครื่องมือพื้นฐานของจักรวาลและกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ได้ หนึ่งในเป้าหมายสำคัญในการสร้าง IceCube คือการระบุแหล่งที่มาของนิวตริโนจักรวาลพลังงานสูง ด้วยการระบุตัวตนของ blazar TXS 0506 + 056 ในฐานะที่เป็นแหล่งกำเนิดของทั้งนิวตริโนและรังสีแกมมานั่นคือความฝันหนึ่งในจักรวาลที่ประสบความสำเร็จในที่สุด

Starts With A Bang ได้เข้าร่วมฟอร์บส์และได้รับการตีพิมพ์ซ้ำในสื่อขอบคุณผู้สนับสนุน Patreon ของเรา อีธานได้ประพันธ์หนังสือสองเล่ม Beyond the Galaxy และ Treknology: วิทยาศาสตร์ของ Star Trek จาก Tricorders ถึง Warp Drive