בעיבוד אמנותי זה, בלזר מאיץ פרוטונים המייצרים פיונים, המייצרים נייטרינו וקרני גאמה. נייטרינו הוא תמיד תוצאה של תגובה חידרונית כמו זו המוצגת כאן. ניתן לייצר קרני גמא באינטראקציות חדרוניות והן אלקטרומגנטיות. (ICECUBE / NASA)

ראשית קוסמית: ניטרינו-אנרגיה אולטרה-גבוהה שנמצאו, מגלקסיות בוערות ברחבי היקום

בשנת 1987 גילינו נייטרינו מגלקסיה אחרת בסופרנובה. לאחר המתנה של 30 שנה, מצאנו משהו אפילו טוב יותר.

אחת התעלומות הגדולות במדע היא לקבוע לא רק מה שם בחוץ, אלא מה יוצר את האותות שאנו מזהים כאן על כדור הארץ. במשך יותר ממאה שנים ידענו כי רוכסן ביקום הם קרניים קוסמיות: חלקיקי אנרגיה גבוהה שמקורם בהרבה מעבר לגלקסיה שלנו. בעוד שזוהו כמה מקורות לחלקיקים אלה, רובם המכריע של אלה, כולל אלה האנרגטיים ביותר, נותרו בגדר תעלומה.

נכון להיום, כל זה השתנה. שיתוף הפעולה של IceCube, ב- 22 בספטמבר 2017, זיהה נייטרינו בעל אנרגיה גבוהה במיוחד שהגיע לקוטב הדרומי, והצליח לזהות את מקורו. כאשר סדרה של טלסקופי קרני גאמא הביטה באותה תנוחה, הם לא רק ראו איתות, הם זיהו בלייזר, שבמקרה התלקח באותו הרגע. סוף סוף האנושות גילתה לפחות מקור אחד שיוצר חלקיקים קוסמיים אולטרה-אנרגטיים אלה.

כאשר חורים שחורים ניזונים מחומר, הם יוצרים דיסק ההקרדה ומטוס דו קוטבי בניצב אליו. כאשר מטוס מחור שחור סופר-מסיבי מצביע עלינו, אנו מכנים אותו או חפץ BL Lacertae או בלייזר. זה נחשב כיום כמקור עיקרי הן לקרניים קוסמיות והן לנוטרינו אנרגיה גבוהה. (נאס

היקום, בכל מקום בו אנו מסתכלים, מלא דברים שאפשר להסתכל עליהם ולתקשר איתם. החומר מתגבש יחד לגלקסיות, כוכבים, כוכבי לכת ואפילו אנשים. קרינה זורמת ביקום המכסה את מכלול הספקטרום האלקטרומגנטי. ובכל סנטימטר מעוקב של חלל אפשר למצוא מאות חלקיקים רפאים, זעירים המכוסים זעירים המכונים נייטרינו.

לפחות ניתן היה למצוא אותם אם היו מתקשרים עם כל תדירות משמעותית עם החומר הרגיל שאנו יודעים לתפעל. במקום זאת, נייטרינו יצטרך לעבור שנת אור של עופרת כדי לירות ב 50/50 של התנגשות עם חלקיק שם. במשך עשרות שנים לאחר הצעתה בשנת 1930, לא הצלחנו לגלות את הנייטרינו.

הכור גרעיני ניסוי גרעיני RA-6 (הרפובליקה ארגנטינה 6), en marcha, מראה את קרינת צ'רנקוב האופיינית מהחלקיקים המהירים יותר מאור-מים שנפלטו. הנייטרינו (או ליתר דיוק, אנטי-נוטרינו) שהשערה לראשונה על ידי פאולי בשנת 1930 התגלה מכור גרעיני דומה בשנת 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

בשנת 1956 גילינו אותם לראשונה על ידי הקמת גלאים ממש מחוץ לכורים גרעיניים, במרחק מטרים בלבד מהמקום בו מייצרים נייטרינים. בשנות השישים בנינו גלאים גדולים מספיק - מתחת לאדמה, המוגנים מפני חלקיקים מזוהמים אחרים - בכדי למצוא את הנייטרינים המיוצרים על ידי השמש ועל ידי התנגשויות קרניים קוסמיות עם האטמוספירה.

ואז, ב -1987, רק הסרנדיפיות היא שהעניקה לנו סופרנובה כל כך קרובה לבית שיכולנו לזהות ממנה נייטרינים. ניסויים שנערכו למטרות שאינן קשורות לחלוטין גילו את הנייטרינים מ- SN 1987A, שהתחילו את עידן האסטרונומיה של המסרים המרובים. נייטרינו, ככל שיכולנו לדעת, נסעו ברחבי היקום באנרגיות שלא ניתן להבחין בהן ממהירות האור.

שריד הסופרנובה 1987a, שנמצא בענן המגלני הגדול, מרחק של כ- 165,000 שנות אור. העובדה שהניוטרינים הגיעו שעות לפני אות האור הראשון לימדה אותנו יותר על משך הזמן שלוקח לאור להתפשט דרך שכבות הכוכב של סופרנובה מאשר על מהירות הנסיעות של הנייטרינים, שלא ניתן להבחין בה במהירות האור. נייטרינו, אור וכוח המשיכה נראים כולם נוסעים באותה מהירות כעת. (נואל קרבוני וה- ESA / ESO / NASA FOTOSHOP מתאים לספר)

במשך כשלושים שנה הניוטרינו מאותה סופרנובה היו הנייטרינים היחידים שאי פעם אישרנו שהם מחוץ למערכת השמש שלנו, הרבה פחות מהגלקסיה הביתית שלנו. אבל זה לא אומר שלא קיבלנו נייטרינים רחוקים יותר; פירוש הדבר פשוט שלא נוכל לזהות אותם בחוזקה עם מקור ידוע בשמיים. למרות שנייטרינו אינטראקציה חלשה מאוד עם חומר, סביר יותר שהם יוצרים אינטראקציה אם הם בעלי אנרגיה גבוהה יותר.

כאן נכנס לתצפית מצפה הנייטרינו של IceCube.

מצפה הכוכבים IceCube, מצפה הכוכבים הנייטרינו הראשון מסוגו, נועד להתבונן בחלקיקים החמקמקים והאנרגיים הגבוהים הללו מתחת לקרח האנטארקטי. (אמנואל ג'קובי, ICECUBE / NSF)

עמוק בתוך קרח הקוטב הדרומי, IceCube תוחם קילומטר מעוקב של חומר מוצק, ומחפש אחר הנייטרינו הכמעט-חסר-מסה. כאשר נייטרינים עוברים בכדור הארץ, יש סיכוי לקיים אינטראקציה עם חלקיק שנמצא שם. אינטראקציה תוביל למטר של חלקיקים, אשר אמור להשאיר חתימות בלתי ניתנות לטעות בגלאי.

באיור זה, נייטרינו מקיים אינטראקציה עם מולקולת קרח, מייצר חלקיק משני - מואון - שנע במהירות יחסית יחסית בקרח, ומשאיר אחריו שמץ של אור כחול. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

בשש השנים בהן IceCube פועל, הם גילו יותר מ -80 נייטרינים קוסמיים בעלי אנרגיה גבוהה עם אנרגיות של יותר מ- 100 TeV: יותר מפי עשרה מהאנרגיות הגבוהות ביותר שהשיגו חלקיקים כלשהם ב- LHC. חלקם אף הקפיצו את סולם ה- PeV והשיגו אנרגיות גדולות פי אלפים ממה שנדרש כדי ליצור אפילו את הכבדה מבין חלקיקי היסוד הידועים.

ובכל זאת למרות כל הניוטרינים האלה ממוצא קוסמי שהגיעו לכדור הארץ, עדיין לא התאימנו אותם עם מקור בשמיים שמציע מיקום מוחלט. איתור הנייטרינים הללו הוא הישג אדיר, אך אלא אם כן אנו יכולים לתאם אותם עם אובייקט נצפה ביקום ביקום - למשל, ניתן לראות זאת גם באיזה סוג של אור אלקטרומגנטי - אין לנו מושג מה יוצר אותם.

כאשר נייטרינו מתקיים אינטראקציה בקרח האנטארקטי הצלול, הוא מייצר חלקיקים משניים המשאירים עקבות של אור כחול כשהם עוברים דרך גלאי IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

לתיאורטיקנים לא הייתה שום בעיה להמציא רעיונות, כולל:

  • היפרנובות, הסופר-נופלים מכל הסופרנובות,
  • קרני גאמה מתפרצות,
  • חורים שחורים מתרחבים,
  • או קוואזרים, החורים השחורים הגדולים והפעילים ביקום.

אך יש צורך בראיות כדי להחליט.

דוגמה לאירוע נייטרינו עתיר אנרגיה שהתגלה על ידי IceCube: 4.45 נייטרינו של PeV מכה את הגלאי בשנת 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube עוקב אחר הוצאת גרסאות עם כל נייטרינו בעל אנרגיה גבוהה במיוחד שהם מצאו. ב- 22 בספטמבר 2017 נצפה אירוע נוסף כזה: IceCube-170922A. במהדורה שיצאה, הם הצהירו את הדברים הבאים:

ב- 22 בספטמבר, 2017 IceCube גילתה אירוע דמוי מסלול, מאוד אנרגטי מאוד עם סבירות גבוהה להיות ממוצא אסטרופיזי. האירוע זוהה על ידי בחירת אירוע המסלול Extremely High Energy (EHE). גלאי IceCube היה במצב פעולה רגיל. לאירועי EHE בדרך כלל קודקוד אינטראקציה בין נייטרינו שנמצא מחוץ לגלאי, מייצר muon החוצה את נפח הגלאי, ובעל רמת אור גבוהה (פרוקסי לאנרגיה).
קרניים קוסמיות מקלחות חלקיקים על ידי מכות של פרוטונים ואטומים באטמוספירה, אך הם גם פולטים אור בגלל קרינת צ'רנקוב. על ידי התבוננות בקרניים קוסמיות מהשמיים וגם בנייטרינו הפוגעים בכדור הארץ, אנו יכולים להשתמש בצירופי מקרים כדי לחשוף את מקורם של שניהם. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

מאמץ זה מעניין לא רק עבור נייטרינים, אלא גם עבור קרניים קוסמיות בכלל. למרות העובדה שראינו מיליוני קרניים קוסמיות של אנרגיות גבוהות יותר ממאה שנים, אנחנו לא מבינים מאיפה רובם מקורם. זה נכון לגבי פרוטונים, גרעינים וניוטרינו שנוצרו במקור וגם באמצעות מפלים / מקלחות באטמוספרה.

זו הסיבה שזה מרתק שלצד ההתראה, IceCube העניקה גם קואורדינטות למקום בו היה צריך לנייטרינו זה שמקורו בשמיים, בתנוחה הבאה:

  • RA: 77.43 מעלות (-0.80 מעלות / + 1.30 מעלות 90% PSF הכלה) J2000
  • דצמבר: 5.72 מעלות (-0.40 מעלות / + 0.70 מעלות 90% PSF הכלה) J2000

וזה הוביל משקיפים, שניסו לבצע תצפיות מעקב על פני הספקטרום האלקטרומגנטי, אל אובייקט זה.

הרושם של האמן מהגרעין הגלקטי הפעיל. החור השחור העל-מסיבי במרכז דיסק ההקרדה שולח סילון צר של אנרגיה גבוהה לחלל, בניצב לדיסק. בלייזר שנמצא במרחק של כארבעה מיליארד שנות אור הוא מקורן של הקרניים והניוטרינו הקוסמיים. (תכנון, מדפסת תקשורת מדעית)

זהו בלייזר: חור שחור סופר-מסיבי שנמצא כרגע במצב פעיל, ניזון מחומר ומאיץ אותו למהירויות אדירות. בלייזרים הם ממש כמו קוואזרים, אבל עם הבדל חשוב אחד. בעוד שקווארס יכול להיות מכוון לכל כיוון, בלזאר תמיד יהיה אחד מהמטוסים שלו מכוונים ישירות אל כדור הארץ. קוראים להם בלייזר כי הם "בוערים" ממש בך.

הבלאזר הספציפי הזה ידוע בשם TXS 0506 + 056, וכאשר שלל מצפות הכוכבים, כולל מצפה הכוכבים פרמי של נאס"א וטלסקופ MAGIC-הקרקע באיים הקנריים, גילו קרני גאמה המגיעות ממנו מייד.

כ -20 מצפי כוכבים על פני כדור הארץ ובחלל ערכו תצפיות מעקב אחר המיקום בו צפה IceCube בנייטרינו בספטמבר האחרון, שאיפשר זיהוי של מה שמדענים רואים כמקור לניוטרינו אנרגיה גבוהה מאוד, ובכך, לקרניים קוסמיות. מלבד הנייטרינים, התצפיות שנערכו על פני הספקטרום האלקטרומגנטי כללו קרני גאמה, קרני רנטגן, וקרינת אופטי ורדיו. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

לא רק זאת, אלא שכאשר הנייטרינים הגיעו, התגלה כי הלייזר נמצא במצב מתרחש, התואם את התפוקות הפעילות ביותר שאובייקט כזה חווה. מאז שיא התפוצה והשפל, החוקרים המזוהים עם IceCube עברו רשומות בערך עשור לפני התלקחות ה- 22 בספטמבר 2017, וחיפשו כל אירועי נייטרינו שמקורם בעמדת ה- TXS 0506 + 056.

הממצא המיידי? נייטרינוס הגיעו מאובייקט זה בהתפרצויות מרובות, שנמשכו שנים רבות. על ידי שילוב תצפיות נייטרינו עם תצפיות אלקטרומגנטיות, הצלחנו באומץ לקבוע כי נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה מיוצרים על ידי בלייזרים, וכי יש לנו את היכולת לזהות אותם, אפילו ממרחק כה גדול. TXS 0506 + 056, אם היית סקרן, נמצא במרחק של כ -4 מיליארד שנות אור משם.

Blazar TXS 0506 + 056 הוא המקור המזוהה הראשון לניוטרינו אנרגיה גבוהה וקרניים קוסמיות. האיור הזה, המבוסס על תמונה של אוריון על ידי נאס

ניתן ללמוד כמות עצומה רק מהתצפית הרבת מסרים זו.

  • הוכח כי בלזארים הם לפחות מקור אחד לקרניים קוסמיות.
  • כדי לייצר נייטרינים אתה זקוק לציונים מתפוררים, ואלו מיוצרים על ידי פרוטונים מואצים.
  • זה מספק את העדויות הסופיות הראשונות לתאוצה של פרוטון על ידי חורים שחורים.
  • זה גם מדגים כי ה- blazar TXS 0506 + 056 הוא אחד המקורות הזוהרים ביותר ביקום.
  • לבסוף, מקרני הגמא הנלוות, אנו יכולים להיות בטוחים שלנייטרינו קוסמי וקרניים קוסמיות, לפחות לפעמים, יש מקור משותף.
קרניים קוסמיות המיוצרות על ידי מקורות אסטרופיזיקה אנרגיה גבוהה יכולות להגיע לפני השטח של כדור הארץ. כאשר קרן קוסמית מתנגשת עם חלקיק באטמוספירה של כדור הארץ, היא מייצרת מקלחת של חלקיקים אותם אנו יכולים לאתר בעזרת מערכים על הקרקע. סוף סוף גילינו מקור מרכזי מהם. (קיבוץ אספרה / ERANET אסטרופרטיקלית)

לדברי פרנסס הלזן, החוקרת הראשית של מצפה הכוכבים הנייטרינו של IceCube,

מעניין שהיה קונצנזוס כללי בקהילת האסטרופיזיקה שלסביר להניח שלבלזארים היו מקורות לקרניים קוסמיות, והנה אנו ... היכולת למרשל טלסקופים ברחבי העולם כדי לגלות תגלית באמצעות מגוון אורכי גל ושילוב עם גלאי נייטרינו כמו ש- IceCube מסמן אבן דרך במה שמדענים מכנים "אסטרונומיה מרובת מסרים".

עידן האסטרונומיה המרובת מסרים נמצא רשמית כאן, וכעת יש לנו שלוש דרכי הסתכלות עצמאיות ומשלימות לחלוטין לשמיים: עם אור, עם נייטרינו ועם גלי כבידה. למדנו שבלזארים, שנחשבו בעבר כמועמדים בלתי סבירים לייצור נייטרינו אנרגיה גבוהה וקרניים קוסמיות, למעשה יוצרים את שניהם.

זהו רושם של אמן מקווארמר רחוק 3C 279. המטוסים הדו קוטביים הם תכונה נפוצה, אך אין זה נדיר ביותר שמטוס כזה יופנה אלינו ישירות. כאשר זה קורה, יש לנו בלזר, שאושר כעת כמקור הן לקרניים הקוסמיות האנרגיות הגבוהות והן לניוטרינו האנרגטי האולטרה-גבוה שאנו רואים מזה שנים. (ESO / M. KORNMESSER)

תחום מדעי חדש, זה של אסטרונומיה נייטרינו עתירת אנרגיה, משיק רשמית עם תגלית זו. נייטרינו הם כבר לא תוצר לוואי של אינטראקציות אחרות, וגם לא סקרנות קוסמית שבקושי משתרעת מעבר למערכת השמש שלנו. במקום זאת, אנו יכולים להשתמש בהם כגוש עקרוני של היקום ושל חוקי היסוד של הפיזיקה עצמה. אחת המטרות העיקריות בבניית IceCube הייתה לזהות את המקורות של נייטרינים קוסמיים בעלי אנרגיה גבוהה. עם זיהויו של ה- blzar TXS 0506 + 056 כמקור הן לניטרינו והן לקרני הגמא, זהו חלום קוסמי אחד שהושג סוף סוף.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקוורסנס ועד וורפ דרייב.