I denna konstnärliga återgivning accelererar en blazar protoner som producerar pioner, som producerar neutrinoer och gammastrålar. Neutrino är alltid resultatet av en hadronisk reaktion som den som visas här. Gamma-strålar kan produceras i både hadroniska och elektromagnetiska interaktioner. (IceCube / NASA)

En kosmisk först: Ultra-High Energy Neutrino hittades, från brinnande galax över hela universum

1987 upptäckte vi neutrino från en annan galax i en supernova. Efter en 30 års väntan har vi hittat något ännu bättre.

Ett av vetenskapens stora mysterier är att bestämma inte bara vad som finns där utan också vad som skapar de signaler vi upptäcker här på jorden. I över ett sekel har vi vetat att zippning genom universum är kosmiska strålar: partiklar med hög energi som kommer från långt bortom vår galax. Medan vissa källor för dessa partiklar har identifierats, förblir den överväldigande majoriteten av dem, inklusive de som är mest energiska, ett mysterium.

Från idag har allt detta förändrats. IceCube-samarbetet, den 22 september 2017, upptäckte en neutrino med mycket hög energi som anlände till Sydpolen och kunde identifiera dess källa. När en serie gammastråleteleskop tittade på samma position såg de inte bara en signal, de identifierade en blazar, som råkade blossa just nu. Äntligen har mänskligheten upptäckt åtminstone en källa som skapar dessa ultraenergiska kosmiska partiklar.

När svarta hål matar på materien skapar de en ackretionsskiva och en bipolär stråle vinkelrätt mot den. När en jet från ett supermassivt svart hål pekar på oss, kallar vi det antingen ett BL Lacertae-objekt eller en blazar. Detta anses nu vara en viktig källa till både kosmiska strålar och neutrinoer med hög energi. (NASA / JPL)

Universum, överallt där vi tittar, är fullt av saker att titta på och interagera med. Materiel klumpar samman i galaxer, stjärnor, planeter och till och med människor. Strålning strömmar genom universum som täcker hela det elektromagnetiska spektrumet. Och i varje kubikcentimeter av utrymmet kan hundratals spöklika, småmassiga partiklar kända som neutrinoer hittas.

Åtminstone kunde de hittas om de interagerade med någon märkbar frekvens med den normala saken vet vi hur vi ska manipulera. Istället skulle en neutrino behöva passera genom ett ljusår av bly för att få ett 50/50 skott att kollidera med en partikel där inne. I decennier efter sitt förslag 1930 kunde vi inte upptäcka neutrino.

Reaktorkärnförsök RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, som visar den karakteristiska Cherenkov-strålningen från de snabbare än ljus-i-vatten-partiklarna som släppts ut. Neutrinoerna (eller mer exakt, antineutrino) som först antogs av Pauli 1930 upptäcktes från en liknande kärnreaktor 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

1956 upptäckte vi dem först genom att sätta upp detektorer precis utanför kärnreaktorer, bara några meter bort från där neutrinoer produceras. På 1960-talet byggde vi tillräckligt stora detektorer - under jord, skyddade från andra förorenande partiklar - för att hitta neutrinerna som produceras av solen och av kosmiska strålkollisioner med atmosfären.

1987, var det bara serendipity som gav oss en supernova så nära hemmet att vi kunde upptäcka neutrinoer från den. Experiment som körts för helt obesläktade ändamål upptäckte neutrinoerna från SN 1987A, som inledde en tid för multi-messenger astronomi. Neutrinos, så långt vi kunde veta, reste över universum med energier som inte kan skiljas från ljusets hastighet.

Resten av supernova 1987a, belägen i det stora magellanska molnet, cirka 165 000 ljusår bort. Det faktum att neutrino anlände timmar innan den första ljussignalen lärde oss mer om hur länge det tar ljus att sprida sig genom stjärnskikten i en supernova än vad det gjorde om hastigheten som neutrinerna rör sig på, vilket inte kan skiljas från ljusets hastighet. Neutrino, ljus och gravitation verkar för alla resa med samma hastighet nu. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA FOTOSHOP PASSAR LIBERATOR)

Under cirka 30 år var neutrinoerna från den supernova de enda neutrinoerna som vi någonsin hade bekräftat att vara utanför vårt eget solsystem, mycket mindre vår hemgalax. Men det betyder inte att vi inte fick mer avlägsna neutrino; det betydde helt enkelt att vi inte kunde identifiera dem med någon känd källa på himlen på ett robust sätt. Även om neutrinoer bara interagerar mycket svagt med materien, är de mer benägna att interagera om de har högre energi.

Det är där IceCube neutrinoobservatoriet kommer in.

IceCube-observatoriet, det första neutrinoobservatoriet i sitt slag, är utformat för att observera dessa svårfångade, högenergiska partiklar under Antarktisisen. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Djupt inne på Sydpolen isen omsluter IceCube en kubik kilometer med fast material och letar efter dessa nästan masslösa neutriner. När neutrinoer passerar genom jorden finns det en chans att få en interaktion med en partikel där inne. En interaktion leder till en dusch av partiklar, vilket bör ge otänkbara signaturer i detektorn.

I denna illustration har en neutrino interagerat med en ismolekyl och producerat en sekundär partikel - en muon - som rör sig med relativistisk hastighet i isen och lämnar ett spår av blått ljus bakom sig. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Under de sex åren som IceCube har kört har de upptäckt mer än 80 högenergiska kosmiska neutrinoer med energier över 100 TeV: mer än tio gånger de högsta energierna som uppnåtts av några partiklar vid LHC. Vissa av dem har till och med kavlat PeV-skalan och uppnått energi tusentals gånger större än vad som behövs för att skapa till och med det tyngsta av de kända grundläggande partiklarna.

Men trots alla dessa neutrinoer av kosmiskt ursprung som har kommit på jorden har vi ännu inte någonsin matchat dem med en källa på himlen som erbjuder en definitiv plats. Att upptäcka dessa neutrino är en enorm prestation, men om vi inte kan korrelera dem med ett verkligt, observerat objekt i universum - till exempel, det är också observerbart i någon form av elektromagnetiskt ljus - vi har ingen aning om vad som skapar dem.

När en neutrino samverkar i den klara Antarktisisen, producerar den sekundära partiklar som lämnar ett spår av blått ljus när de reser genom IceCube-detektorn. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Teoretiker har inte haft några problem med att komma med idéer, inklusive:

  • hypernovaer, den mest superluminösa av alla supernovaer,
  • gammastrålar,
  • blossande svarta hål,
  • eller kvasarer, de största, aktiva svarta hålen i universum.

Men det krävs bevis för att besluta.

Ett exempel på en högenergin neutrinohändelse upptäckt av IceCube: en 4,45 PeV-neutrino som slog igenom detektorn 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORI / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube har spårat och utfärdat utsläpp med alla ultrahögenergin neutrino de har hittat. Den 22 september 2017 sågs en annan sådan händelse: IceCube-170922A. I utgivningen som släpptes uppgav de följande:

Den 22 september 2017 upptäckte IceCube en spårliknande, mycket högenergihändelse med stor sannolikhet att vara av astrofysiskt ursprung. Händelsen identifierades genom valet av spårhändelse Extremely High Energy (EHE). IceCube-detektorn var i normalt driftstillstånd. EHE-händelser har vanligtvis en neutrinointeraktionsvinkel som ligger utanför detektorn, producerar en muon som går igenom detektorvolymen och har en hög ljusnivå (en proxy för energi).
Kosmiska strålar duschar partiklar genom att slå protoner och atomer i atmosfären, men de avger också ljus på grund av Cherenkov-strålning. Genom att observera både kosmiska strålar från himlen och neutrinoer som träffar jorden, kan vi använda tillfällen för att avslöja båda ursprung. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Denna strävan är intressant inte bara för neutrinoer, utan för kosmiska strålar i allmänhet. Trots att vi har sett miljontals kosmiska strålar med hög energi i mer än ett sekel, förstår vi inte var de flesta av dem har sitt ursprung. Detta gäller för protoner, kärnor och neutrinoer skapade både vid källan och via kaskader / duschar i atmosfären.

Det är därför det är fascinerande att IceCube, tillsammans med alerten, också gav koordinater för var denna neutrino borde ha sitt ursprung på himlen, i följande position:

  • RA: 77,43 deg (-0,80 deg / + 1,30 deg 90% PSF-inneslutning) J2000
  • Dec: 5,72 deg (-0,40 deg / + 0,70 deg 90% PSF-inneslutning) J2000

Och det ledde observatörer som försökte utföra uppföljningsobservationer över det elektromagnetiska spektrumet till detta objekt.

Konstnärens intryck av den aktiva galaktiska kärnan. Det supermassiva svarta hålet i mitten av ackretionsskivan skickar en smal högenergi med materialstråle ut i rymden, vinkelrätt mot skivan. En blazar ungefär 4 miljarder ljusår bort är ursprunget till dessa kosmiska strålar och neutriner. (DESY, SCIENCE COMMUNICATION LAB)

Detta är en blazar: ett supermassivt svart hål som för närvarande är i aktivt tillstånd, matar på materien och accelererar det till enorma hastigheter. Blazars är precis som kvasarer, men med en viktig skillnad. Medan kvasarer kan orienteras i vilken riktning som helst, kommer en blazar alltid att ha en av dess strålar riktade direkt mot jorden. De kallas blazars för att de "brinner" precis vid dig.

Den här speciella blazaren är känd som TXS 0506 + 056, och när en massa observatorier, inklusive NASAs Fermi-observatorium och det markbaserade MAGIC-teleskopet på Kanarieöarna, upptäckte gammastrålar som kommer från det omedelbart.

Cirka 20 observatorier på jorden och i rymden gjorde uppföljningsobservationer av platsen där IceCube observerade neutrino i september förra året, vilket möjliggjorde identifiering av vad forskare anser vara en källa till neutrinoer med mycket hög energi och därmed kosmiska strålar. Förutom neutrino inkluderade observationerna över det elektromagnetiska spektrumet gammastrålar, röntgenstrålar och optisk och radiostrålning. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Inte bara det, utan när neutrinoerna kom fram, konstaterades att blazaren befann sig i ett flänsande tillstånd, vilket motsvarar de mest aktiva utflödena som ett sådant objekt upplever. Sedan utflödet toppade och ebbade, forskare som är anslutna till IceCube genomgick ett decenniums värde av poster före flänsen 22 september 2017 och sökte efter eventuella neutrinohändelser som skulle komma från positionen TXS 0506 + 056.

Den omedelbara sökningen? Neutrino anlände från detta objekt i flera skurar och sträckte sig över många år. Genom att kombinera neutrinoobservationer med elektromagnetiska observationer har vi med kraft kunnat konstatera att neutrinoer med hög energi produceras av blazars, och att vi har förmågan att upptäcka dem, även från så stort avstånd. TXS 0506 + 056, om du var nyfiken, ligger cirka 4 miljarder ljusår bort.

Blazar TXS 0506 + 056 är den första identifierade källan till neutrinoer med hög energi och kosmiska strålar. Denna illustration, baserad på en bild av Orion av NASA, visar platsen för blazaren, belägen på natthimlen precis vid vänster axel på stjärnbilden Orion. Källan är cirka 4 miljarder ljusår från jorden. (IceCube / NASA / NSF)

En enorm mängd kan man lära sig just från denna en-messengerobservation.

  • Blazars har visats vara minst en källa till kosmiska strålar.
  • För att producera neutrino behöver du sönderfallande pioner, och de produceras av accelererade protoner.
  • Detta ger det första definitiva beviset på protonacceleration med svarta hål.
  • Detta visar också att blazar TXS 0506 + 056 är en av de mest lysande källorna i universum.
  • Slutligen, från de medföljande gammastrålarna, kan vi vara säkra på att kosmiska neutrinoer och kosmiska strålar, åtminstone ibland, har ett gemensamt ursprung.
Kosmiska strålar som produceras av astrofysikkällor med hög energi kan nå jordens yta. När en kosmisk stråle kolliderar med en partikel i jordens atmosfär producerar den en dusch av partiklar som vi kan upptäcka med matriser på marken. Äntligen har vi avslöjat en viktig källa till dem. (ASPERA SAMLING / ASTROPARTICLE ERANET)

Enligt Frances Halzen, huvudutredare för IceCube neutrinoobservatoriet,

Det är intressant att det fanns en allmän enighet i astrofysikens samhälle om att blazarer osannolikt skulle vara källor till kosmiska strålar, och här är vi ... Förmågan att marsjera teleskoper globalt för att göra en upptäckt med olika våglängder och i kombination med en neutrino-detektor som IceCube markerar en milstolpe i det som forskarna kallar "multi-messenger astronomy."

Älden för astronomi med flera budbärare är officiellt här, och nu har vi tre helt oberoende och komplementära sätt att titta på himlen: med ljus, med neutrino och med gravitationsvågor. Vi har lärt oss att blazars, en gång ansett som en osannolik kandidat för att generera högenergin neutrinoer och kosmiska strålar, faktiskt skapar båda.

Detta är en konstnärs intryck av en avlägsen kvasar 3C 279. De bipolära strålarna är ett vanligt inslag, men det är extremt ovanligt att en sådan jet riktas direkt mot oss. När detta inträffar har vi en Blazar, nu bekräftad att vara en källa till både högenergiska kosmiska strålar och de ultrahögenergin neutriner som vi har sett i flera år. (ESO / M. KORNMESSER)

Ett nytt vetenskapligt fält, det med högenergin neutrinoastronomi, lanseras officiellt med denna upptäckt. Neutrino är inte längre en biprodukt av andra interaktioner, inte heller en kosmisk nyfikenhet som knappt sträcker sig utöver vårt solsystem. Istället kan vi använda dem som en grundläggande sond av universum och fysiska grundlagar. Ett av de viktigaste målen för att bygga IceCube var att identifiera källorna till kosmiska neutrinoer med hög energi. Med identifieringen av blazar TXS 0506 + 056 som källa för både dessa neutrinoer och gammastrålar, är det en kosmisk dröm som äntligen har uppnåtts.

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.