สิ่งอำนวยความสะดวกพื้นผิวสำหรับการทดลอง IceCube ซึ่งอยู่ภายใต้น้ำแข็งเกือบ 1 ไมล์ (1.6 กิโลเมตร) ในทวีปแอนตาร์กติกา IceCube แนะนำ neutrinos ที่น่ากลัวไม่ได้มีอยู่ แต่การทดลองใหม่บอกว่าพวกเขาทำ
(ภาพ: ©มารยาทของ IceCube Neutrino Observatory)
ในดินแดนน้ำแข็งอันเย็นฉ่ำของทวีปแอนตาร์กติกานั้นมีเครื่องตรวจจับอนุภาคขนาดใหญ่ที่หอดูดาว IceCube Neutrino แต่การค้นหาพื้นผิวสำหรับเครื่องมือจะพิสูจน์ได้ยากเพราะหอดูดาวจำนวนมากติดอยู่ใต้น้ำแข็ง หอสังเกตการณ์นานาชาติได้ทำการตามหานิวตริโนซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุและไม่มีประจุซึ่งแทบไม่เคยมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร ตอนนี้การสำรวจของมันอาจแก้ปริศนาที่ใหญ่ที่สุดในดาราศาสตร์ได้โดยการตอบคำถามที่อยู่เบื้องหลังต้นกำเนิดของนิวตริโนและรังสีคอสมิก
ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของพวกเขาทั้งหมด
หอสังเกตการณ์ IceCube Neutrino ครอบคลุมหนึ่งลูกบาศก์กิโลเมตรใกล้กับขั้วโลกใต้ เครื่องมือครอบคลุมพื้นที่หนึ่งตารางกิโลเมตรของพื้นผิวและทอดตัวลงลึกถึง 4,920 ฟุต (1,500 เมตร) มันเป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโน gigaton แรกที่เคยสร้าง
ในขณะที่รูปถ่ายของ IceCube มักจะแสดงอาคารที่นั่งอยู่บนพื้นผิวที่เต็มไปด้วยหิมะงานจริงเสร็จแล้วด้านล่าง การทดสอบอเนกประสงค์รวมถึงพื้นผิวอาเรย์ (IceTop) อาเรย์ของ 81 สถานีที่อยู่เหนือสตริง IceTop ทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับการปรับเทียบสำหรับ IceCube เช่นเดียวกับการตรวจจับการอาบน้ำในอากาศจากรังสีคอสมิกปฐมภูมิและการไหลและองค์ประกอบ
ส่วนย่อยภายในที่หนาแน่นคือ DeepCore เป็นโรงไฟฟ้าของการทดลอง IceCube สถานี IceTop แต่ละสถานีประกอบด้วยสายเชื่อมต่อกับโมดูลออพติคอลดิจิทัล (DOMs) ที่ติดตั้งบนตารางหกเหลี่ยมที่มีระยะห่างกัน 410 ฟุต (125 เมตร) แต่ละสตริงมี DOMs ขนาดบาสเกตบอล 60 ตัว ที่นี่ลึกลงไปในน้ำแข็ง IceCube สามารถตามล่าหานิวตริโนที่มาจากดวงอาทิตย์จากภายในทางช้างเผือกและจากนอกกาแลคซี อนุภาคผีเหล่านี้เชื่อมต่อกับรังสีคอสมิกซึ่งเป็นอนุภาคพลังงานที่สูงที่สุดเท่าที่เคยพบมา
[ที่เกี่ยวข้อง: การติดตามนิวตริโนถึงแหล่งที่มา: การค้นพบในรูปภาพ]
อนุภาคลึกลับ
รังสีคอสมิคถูกค้นพบครั้งแรกในปีพ. ศ. 2455 การระเบิดของรังสีที่ทรงพลังปะทะกับโลกอยู่ตลอดเวลาไหลเวียนจากทั่วทุกส่วนของกาแลคซี นักวิทยาศาสตร์คำนวณว่าอนุภาคที่มีประจุจะต้องก่อตัวขึ้นในวัตถุและเหตุการณ์ที่มีความรุนแรงและเข้าใจน้อยที่สุดในจักรวาล การตายของดวงดาวที่เกิดจากดาวฤกษ์ซูเปอร์โนวาเป็นวิธีการหนึ่งในการสร้างรังสีคอสมิค หลุมดำที่กำลังทำงานที่ใจกลางกาแลคซีแห่งอื่น
เนื่องจากรังสีคอสมิกประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุอย่างไรก็ตามมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของดาวและวัตถุอื่น ๆ ที่ผ่านไป ทุ่งกว้างและเปลี่ยนเส้นทางของรังสีคอสมิกทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถติดตามพวกมันกลับไปยังแหล่งกำเนิดของมันได้
นั่นคือที่มาของนิวตริโน เช่นเดียวกับรังสีคอสมิกอนุภาคขนาดเล็กถูกคิดว่าก่อตัวผ่านความรุนแรง แต่เนื่องจากนิวตริโนไม่มีค่าใช้จ่ายจึงผ่านสนามแม่เหล็กโดยไม่เปลี่ยนเส้นทางเดินทางเป็นเส้นตรงจากแหล่งกำเนิด
"ด้วยเหตุนี้การค้นหาแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิคจึงกลายเป็นการค้นหานิวตริโนพลังงานสูงมาก" ตามเว็บไซต์ของ IceCube
อย่างไรก็ตามลักษณะเดียวกับที่ทำให้นิวตริโนนั้นเป็นผู้ส่งสารที่ดีก็หมายความว่าพวกมันตรวจจับได้ยาก ทุก ๆ วินาทีนิวตริโนประมาณ 100 ล้านผ่านร่างกายคุณหนึ่งตารางนิ้ว ส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์และไม่แข็งแรงพอที่จะระบุโดย IceCube แต่บางคนก็มีแนวโน้มที่จะได้รับการผลิตนอกทางช้างเผือก
การจำนิวตริโนจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความใสมากเช่นน้ำหรือน้ำแข็ง เมื่อนิวตรอนเดี่ยวชนเข้ากับโปรตอนหรือนิวตรอนภายในอะตอมปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นจะผลิตอนุภาคทุติยภูมิที่ให้แสงสีน้ำเงินที่รู้จักกันในชื่อรังสีเชอเรนคอฟ
"นิวตริโนที่เราตรวจพบนั้นเป็นเหมือนลายนิ้วมือที่ช่วยให้เราเข้าใจวัตถุและปรากฏการณ์ที่นิวตริโนเกิดขึ้น" ทีม IceCube กล่าว
เงื่อนไขที่รุนแรง
ขั้วโลกใต้อาจไม่ใช่อวกาศ แต่มันนำความท้าทายมาเอง วิศวกรเริ่มการก่อสร้างบน IceCube ในปี 2004 โครงการเจ็ดปีที่เสร็จสมบูรณ์ตามกำหนดเวลาในปี 2010 การก่อสร้างอาจเกิดขึ้นเพียงไม่กี่เดือนต่อปีในช่วงฤดูร้อนของซีกโลกใต้ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างเดือนพฤศจิกายนถึงกุมภาพันธ์
การเจาะรู 86 รูต้องใช้การเจาะแบบพิเศษ - สองอันที่จริงแล้ว ครั้งแรกที่ผ่านขั้นสูงผ่านต้นสนซึ่งเป็นชั้นของหิมะอัดลงไปประมาณ 164 ฟุต (50 เมตร) จากนั้นสว่านเจาะน้ำร้อนแรงดันสูงละลายผ่านน้ำแข็งด้วยความเร็วประมาณ 2 เมตร (6.5 ฟุต) ต่อนาทีลงไปที่ความลึก 2,450 เมตร (8,038 ฟุตหรือ 1.5 ไมล์)
"ด้วยกันการฝึกซ้อมทั้งสองสามารถผลิตรูแนวตั้งเกือบสมบูรณ์แบบอย่างต่อเนื่องพร้อมสำหรับการติดตั้งเครื่องมือในอัตราหนึ่งรูทุกสองวัน" IceCube กล่าว
จากนั้นจะต้องวางสายอย่างรวดเร็วในน้ำที่ละลายก่อนที่น้ำแข็งจะถูกแช่แข็ง การแช่แข็งใช้เวลาสองสามสัปดาห์เพื่อทำให้เสถียรหลังจากนั้นเครื่องมือยังคงไม่ถูกแตะต้องแช่แข็งอย่างถาวรในน้ำแข็งและไม่สามารถซ่อมแซมได้ อัตราความล้มเหลวของเครื่องมือช้ามากโดยมีเซ็นเซอร์น้อยกว่า 100 จาก 5,500 ตัวที่ไม่ทำงาน
IceCube เริ่มสังเกตจากจุดเริ่มต้นแม้ในขณะที่สายอื่น ๆ ถูกนำไปใช้
เมื่อโครงการเริ่มต้นขึ้นนักวิจัยไม่ชัดเจนเกี่ยวกับว่าแสงเดินทางผ่านน้ำแข็งได้ไกลแค่ไหน ด้วยข้อมูลที่ได้รับการยอมรับเป็นอย่างดีการทำงานร่วมกันจึงมีผลต่อ IceCube-Gen2 หอสังเกตการณ์ที่ได้รับการอัพเกรดจะเพิ่มเครื่องตรวจจับอีกประมาณ 80 สายในขณะที่ความเข้าใจในคุณสมบัติของน้ำแข็งจะช่วยให้นักวิจัยวางเซ็นเซอร์แยกกันมากกว่าที่คาดไว้เดิม IceCube-Gen2 ควรเพิ่มขนาดของหอดูดาวเป็นสองเท่าในราคาเท่ากัน
วิทยาศาสตร์ที่เหลือเชื่อ
IceCube เริ่มตามล่าหานิวตริโนก่อนที่มันจะเสร็จสมบูรณ์สร้างผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจหลายอย่างตลอดทาง
ระหว่างเดือนพฤษภาคม 2553 ถึงพฤษภาคม 2555 IceCube สังเกตการณ์ 28 อนุภาคพลังงานสูงมาก Halzen นำเสนอความสามารถของเครื่องตรวจจับในการสังเกตเหตุการณ์ที่รุนแรงเหล่านี้เพื่อความสมบูรณ์ของเครื่องตรวจจับ
“ นี่เป็นข้อบ่งชี้แรกของนิวตริโนพลังงานสูงมากซึ่งมาจากนอกระบบสุริยะของเราโดยมีพลังงานมากกว่าหนึ่งล้านเท่าที่สังเกตในปี 2530 ซึ่งเกี่ยวข้องกับซูเปอร์โนวาที่เห็นในเมฆแมกเจลแลนใหญ่” Halzen กล่าวในแถลงการณ์ "เป็นเรื่องน่ายินดีที่ได้เห็นสิ่งที่เรามองหาในที่สุดนี่คือรุ่งอรุณแห่งยุคใหม่ของดาราศาสตร์"
ในเดือนเมษายน 2555 มีการตรวจพบนิวตริโนพลังงานสูงคู่หนึ่งและได้รับฉายาว่าเบิร์ตและเออร์นี่หลังจากตัวละครจากรายการโทรทัศน์สำหรับเด็ก "เซซามีสตรีท" ด้วยพลังงานที่สูงกว่า 1 petaelectronvolt (PeV) ทั้งคู่เป็นนิวตริโนที่ตรวจพบได้อย่างชัดเจนครั้งแรกจากนอกระบบสุริยจักรวาลตั้งแต่ปี 1987 ซูเปอร์โนวา
“ มันเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ” Uli Katz นักฟิสิกส์อนุภาคแห่งมหาวิทยาลัย Erlangen-Nuremberg ในเยอรมนีกล่าวซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าว “ ฉันคิดว่ามันเป็นหนึ่งในการค้นพบที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ของอนุภาคโหราศาสตร์” Katz กล่าวกับ Space.com
การสังเกตเหล่านี้ส่งผลให้ IceCube ได้รับรางวัล Breakthrough แห่งปีของ Physics World 2013
ผลตอบแทนที่สำคัญอีกอย่างเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 4 ธันวาคม 2012 เมื่อหอสังเกตการณ์ตรวจพบเหตุการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าบิ๊กเบิร์ดก็มาจาก "เซซามีสตรีท" Big Bird เป็นนิวตริโนที่มีพลังงานเกิน 2 quadrillion volts อิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งล้านล้านเท่าของพลังงานของ X-ray ทางทันตกรรมซึ่งบรรจุอยู่ในอนุภาคเดี่ยวที่มีมวลอิเล็กตรอนน้อยกว่าหนึ่งล้าน ในเวลานั้นมันเป็นนิวตริโนพลังงานสูงที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2561 มันยังคงเป็นอันดับสอง
ด้วยความช่วยเหลือของกล้องโทรทรรศน์อวกาศแกมม่า - แฟร์เฟอร์ของนาซ่านักวิทยาศาสตร์ได้ผูกบิ๊กเบิร์ดเข้ากับการระเบิดที่ทรงพลังอย่างมากของ Blazar ที่รู้จักในชื่อ PKS B1424-418 Blazars ใช้พลังงานจากหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซี ในขณะที่หลุมดำกลืนวัตถุลงวัสดุบางส่วนถูกเบี่ยงเบนไปเป็นเจ็ตส์ซึ่งมีพลังงานมากพอที่จะส่องแสงดาวในกาแลคซี เจ็ตส์เร่งความเร็วสร้างสสารนิวตริโนและชิ้นส่วนของอะตอมที่สร้างรังสีคอสมิก
เริ่มต้นในช่วงฤดูร้อนปี 2555 แสงไฟส่องสว่างระหว่าง 15 ถึง 30 เท่าของรังสีแกมม่าที่สว่างกว่าค่าเฉลี่ยก่อนการระเบิด โปรแกรมการสังเกตระยะยาวชื่อว่า TANAMI ซึ่งตรวจสอบกาแลคซีที่ใช้งานอยู่เกือบ 100 แห่งเป็นประจำในท้องฟ้าภาคใต้เปิดเผยว่าแกนกลางของเจ็ทกาแลคซีนั้นสว่างขึ้นสี่เท่าระหว่าง 2011 ถึง 2013
"ไม่มีกาแลคซีแห่งอื่นของเราที่ TANAMI สังเกตเห็นในช่วงชีวิตของโปรแกรมนี้ได้แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่น่าทึ่ง" Eduardo Ros จากสถาบัน Max Planck for Radio Astronomy (MPIfR) ในเยอรมนีกล่าวในแถลงการณ์ปี 2559 ทีมคำนวณว่าเหตุการณ์ทั้งสองเชื่อมโยงกัน
“ โดยคำนึงถึงการสังเกตทั้งหมด blazar ดูเหมือนว่าจะมีวิธีการแรงจูงใจและโอกาสที่จะยิงนิวทรีโน Big Bird ซึ่งทำให้ผู้ต้องสงสัยคนสำคัญของเรา” Matthias Kadler ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์จาก University of Würzburgกล่าว เยอรมนี."
ในเดือนกรกฎาคม 2018 IceCube ประกาศว่าเป็นครั้งแรกที่มีการติดตามนิวตริโนกลับสู่แหล่งกำเนิดแสง ในเดือนกันยายน 2560 ต้องขอบคุณระบบแจ้งเตือนที่เพิ่งติดตั้งใหม่ซึ่งเผยแพร่ไปยังนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกภายในไม่กี่นาทีของการตรวจหาผู้สมัครนิวทริโนที่แข็งแกร่งนักวิจัยจึงสามารถเปลี่ยนกล้องโทรทรรศน์ในทิศทางที่สัญญาณใหม่เกิดขึ้น แฟร์แจ้งเตือนนักวิจัยถึงการปรากฏตัวของ blazar ที่ใช้งานอยู่ที่เรียกว่า TXS-0506 + 056 ในส่วนเดียวกันของท้องฟ้า การสำรวจใหม่ยืนยันว่า blazar กำลังเปล่งประกายเปล่งประกายพลังงานที่สว่างกว่าปกติ
ส่วนใหญ่แล้ว TXS เป็น blazar ทั่วไป เป็นหนึ่งใน 100 blazars ที่สว่างที่สุดที่ตรวจพบโดย Fermi อย่างไรก็ตามในขณะที่คนอื่น ๆ อีก 99 คนก็ยังสดใสพวกเขาไม่ได้พุ่งนิวตริโนไปที่ IceCube ในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมา TXS มีความสว่างสดใสและลดแสงได้ดีกว่าในปีที่ผ่านมาถึงร้อยเท่า
"การติดตามนิวตริโนพลังงานสูงที่ตรวจพบโดย IceCube กลับไปที่ TXS 0506 + 056 ทำให้นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถระบุวัตถุเฉพาะเป็นแหล่งที่น่าจะเป็นของนิวตริโนพลังงานสูงเช่นนี้" Gregory Sivakoff ของมหาวิทยาลัย ของอัลเบอร์ตาในแคนาดากล่าวในแถลงการณ์
IceCube ยังไม่เสร็จสิ้น ระบบแจ้งเตือนใหม่นี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้สัมผัสกับนิ้วเท้าของพวกเขาในปีต่อ ๆ ไป หอสังเกตการณ์มีอายุการใช้งานตามแผน 20 ปีดังนั้นจึงมีการค้นพบที่น่าเหลือเชื่ออย่างน้อยหนึ่งทศวรรษที่มาจากหอสังเกตการณ์ขั้วโลกใต้
