Hvorfor En 4-Milliard-År Gammel Partikel, Der Ramte Antarktis, Er Sådan En Stor Deal

{h1}

Et internationalt team af astronomer har fastslået et supermassivt sort hul i midten af ​​en fjern galakse som den første kendte kilde til de spøgelsesagtige partikler.

En enkelt, high-energy neutrino slog jorden den 22. september 2017. Den kom fra en fjern galakse, viklet omkring et supermassivt sort hul. Og begyndende med et fragmentarisk papir, der blev offentliggjort i dag (12. juli) i tidsskriftet Science og underskrevet af hundredvis af forskere, der spredes over snesevis af laboratorier, er det førende giddy astrofysikere at omskrive deres modeller af universet.

Det skyldes for første gang, at denne høje energi neutrino, en spøgelsespartikel, der knapt interagerer med andet materiale, efterlod nok spor for at finde ud af, hvor det kommer fra.

I 4 milliarder år steg denne neutrino gennem rummet uforstyrret. Det kunne være gået stjerner, klumper af sten eller andre galakser. Det kunne endda have passeret dem; neutrinos kan normalt strømme gennem materiel uden at efterlade spor. Så for det meste tog det livet på Jorden op for at danne bakterier, svampe, planter og dyr, og for et af disse dyr (os) for at opdage deres eksistens, rejste denne neutrino uforstyrret. [De 18 største uløste mysterier i fysik]

Derefter styrtede den ned i et atom i en isboks i Antarktis, spyttede en anden højenergipartikel kaldet en muon ind i IceCube Neutrino Observatory, en massiv partikel detektor begravet under Antarktis isen, og den forsvandt for evigt.

En tynd strøm af højtydende neutrinoer fra dybe i kosmos slam ind i jorden hele tiden. Men denne neutrino kollision var speciel: Forskere var klar til det. Års raffinement til deres instrumenter havde forberedt dem til at få øje på neutrinoen, hurtigt finde ud af, hvilken del af himmelen den kom fra, og peg derefter teleskoper fra hele verden på det himmellag. Det var ikke første gang, de forsøgte dette, men denne gang fungerede det: Fermi Gamma-ray Space Telescope - og så snesevis flere observatorier over hele verden - fangede det svage signal fra Neutrino's Hjem Galaxy - betegnet en "blazar" takket være sin flamme af elektromagnetisk energi fyring mod jordens flaring.

Der er en blazar dybt i rummet, konkluderede forskerne, en del af den lyseste familie af objekter i universet: Galakser med supermassive black hole-motorer, der fyrer stråler af energi mod jorden. Og denne blazar accelererer neutrinos til enorme energier og slår dem ind i vores planet.

Et kosmisk detektivprojekt

Sporing af en kilde til kosmiske neutriner ville ikke have været muligt uden IceCube, ifølge Derek Fox, en astrofysiker ved Pennsylvania State University, hvis team led en afgørende del af forskningen. [IceCube Fotos: Fysik Lab begravet under Antarktis Ice]

Det store flertal af neutriner, der strømmer gennem vores kroppe hver dag, fortæller Fox, WordsSideKick.com, form i Jordens atmosfære - produkterne af kollisioner mellem gas og andre kosmetiske partikler med høj energi. Selv de få instrumenter rundt om i verden, der er følsomme nok til at detektere neutriner, siger han, mere eller mindre blinde til de meget sjældnere kosmiske neutrinoer ved "tågen" af lokale neutriner, der dækker udsigten.

Men i 2013 gennemblød IceCube den tåge. Observatoriet var blevet følsomt nok til at udskyde de højere energi kosmiske neutrinoer fra baggrundsstrålingen fra deres lavere energi atmosfæriske fætre. Papiret, der annoncerede denne opdagelse i Science i 2013, var selv et stort resultat for neutrino-videnskab - det første direkte bevis på neutrinos, der stammer så langt væk.

IceCube lab i Antarktis, baglæns af Melkevejen og en Aurora i horisonten. Billede taget i maj 2017.

IceCube lab i Antarktis, baglæns af Melkevejen og en Aurora i horisonten. Billede taget i maj 2017.

Kredit: Martin Wolf / IceCube / NSF

Det næste vigtige skridt, ifølge Regina Caputo, en partikel astrofysiker ved University of Maryland, der førte Fermi teleskopholdet, der først så flaring blazaren langs neutrino's vej, var at finde ud af, hvordan man mest effektivt kunne bruge disse neutrino data til at jage partiklernes kilder. [Strange Quarks og Muon: Naturens mindste partikler dissected (Infographic)]

Det var her Foxs hold kom ind. Azadeh Keivani, en astrofysiker, der på det tidspunkt var en postdoktorale forsker, der arbejder i Fox's lab og nu er en kollega ved Columbia University, sagde, at IceCube var for lang tid til at opdage kosmiske neutrinoer for at informationen kunne være let brugbar.

"Hurtigst muligt ville det tage et par timer, og vi fik det til mindre end et minut," sagde Keivani til WordsSideKick.com.

I den hastighed kunne IceCube advare observatorier over hele verden bare et øjeblik efter en interessant afsløring, skete hun. IceCube kunne allerede følge neutrino-stien tæt nok (ved at studere den muon det udsendes) for at indsnævre sin kilde til en hakketøj omkring dobbelt så bred som en fuldmåne. At få den information ud hurtigt tillod et helt batteri af verdens mest følsomme teleskoper for at scanne det rum - stadig et meget bredt søgeområde i astronomiske termer, ifølge Caputo - for hints om, hvor den kom fra.

Påvisningen

Da neutrinoen, nu kaldet IceCube-170922A, slog detektoren, sad Darren Grant på sit kontor ved Alberta Universitet. IceCube-talsmand og astrofysiker sagde, at det var bemærkelsesværdigt - interessant nok til at snakke om med en kollega i hallen - men ikke chokerende.

"IceCube registrerer neutrinos [på dette energiniveau] omkring en gang om måneden," fortæller Grant WordsSideKick.com. "Det bliver slags rutine."

Elleve andre neutrinoer på dette energiniveau havde tidligere ramt detektoren siden samarbejdet med andre teleskoper begyndte, sagde Fox, og ingen var endnu sporet tilbage til sin kilde.

Så alarmen gik ud, observatorier over hele verden pegede deres teleskoper på det himmelplaster, det kom fra, og så sagde Fox, at der ikke skete noget... for dage.

"Det virkede ikke som om der var noget bemærkelsesværdigt der på himlen," sagde han. Astronomer bemærkede blazaren, men det hoppede ikke ud på dem som en sandsynlig kilde. "For os var det på den måde bare neutrino nummer 12, og vi satte det på listen [og fortsatte]."

Men så et par dage senere sendte forskere hos Fermi en advarsel: Den blazar var flakende. Gamma-stråle teleskopet havde set det udsender otte gange flere gammastråler end normalt, den lyseste det nogensinde havde været. Noget - forskerne ved ikke præcis hvad - forårsager galaksen at udstråle en jet af super-hurtige høj-energi gamma fotoner. Den samme proces kunne have udsendt neutrino.

"Tricket med blazars er, at bare fordi det er flaring i en bølgelængde, betyder det ikke, at det flakker i en anden bølgelængde," sagde Caputo.

Fermi, et meget vidvinkelobservatorium, der var følsomt over for en nøgle del af gammastrålespektret, var velindrettet til gammastrålingen, der kom fra blazaren, og havde bemærket, at den flakede så langt tilbage som i april. Og engang havde det set denne sandsynlige kilde - som ikke hoppede ud til andre teleskoper den dag, fordi de ikke var så følsomme over for den pågældende region af spektret - andre teleskoper kunne følge op for at bekræfte blazaren som den sandsynlige neutrinkilde.

"Vi kunne sige," Åh, det kommer nok fra denne blazar. " Derefter kunne alle de andre teleskoper virkelig nul i og pege på den pågældende kilde, "sagde Caputo.

Et andet gamma-stråle observatorium, MAGIC på De Kanariske Øer ud for Afrikas vestkyst, lavede derefter opfølgende observationer, der hjalp med at bekræfte denne blazar, TXS 0506 + 056, som neutrino's kilde, sagde hun. Mange flere observatorier viste sig i sidste ende tilsvarende resultater. For første gang havde astrofysikere identificeret kilden til en kosmisk neutrino. Senere viste forskere, der porer over gamle data, at flere flere neutriner fundet i de foregående ni og et halvt år på IceCube kom sandsynligvis fra samme blazar. Det resultat blev også offentliggjort i dag (12. juli) i tidsskriftet Science.

Hvad det betyder

Mens både Caputo og Fox sagde, at de havde mistænkt blazars, var involveret i kosmiske neutriner, og ideen havde været populær i mange år (Fox pegede på et papir udgivet på preprint journal arXiv i 2001, der spekulerede på, at denne nøjagtige blazar kan være en neutrino-kilde), det var faldet ud af favør. Forskere begyndte at bekymre sig, sagde Fox, at der bare ikke var nok blazars på himlen til at redegøre for alle de forskellige retninger, som kosmiske neutriner kommer fra.

Dette resultat er et "første skridt" og "proof of concept", siger Grant, og viser først, at i det mindste nogle neutrinos kommer fra blazars.

Men Caputo sagde, at forskere stadig ikke ved, hvordan blazaren producerer neutrinerne. (Selv om der også er ledsagende papirer, der begynder at uddanne fysikken.) Og der er sandsynligvis andre typer neutrinkilder derude, som forskerne endnu ikke har afsløret. Forskere har krydset tærsklen til præcis neutrino astronomi, sagde Grant. Men der er meget mere at lære.

Oprindeligt udgivet den WordsSideKick.com.


Video Supplement: Calling All Cars: Highlights of 1934 / San Quentin Prison Break / Dr. Nitro.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com