Antarktika'da yaklaşık 1,6 kilometre buzun altında bulunan IceCube deneyi için yüzey tesisi. IceCube hayaletli nötrinoların olmadığını öne sürüyor, ancak yeni bir deney yaptıklarını söylüyor.
(Resim: © IceCube Neutrino Rasathanesi'nin izniyle)
Antarktika'nın buzlu arazisinde devasa bir parçacık dedektörü olan IceCube Neutrino Observatory bulunur. Ancak, enstrümanın yüzeyinin araştırılması zor olacaktır, çünkü gözlemevinin büyük kısmı buzun altında sıkışmıştır. Uluslararası gözlemevi, neredeyse hiçbir zaman madde ile etkileşime girmeyen kitlesiz, cansız parçacıklar için nötrinoları avlıyor. Şimdi gözlemleri, nötrinoların ve kozmik ışınların kökeninin arkasındaki soruları cevaplayarak astronomi alanındaki en büyük gizemlerden birini çözebilir.
Hepsinin en büyüğü
IceCube Neutrino Rasathanesi, Güney Kutbu yakınlarındaki bir kilometreküpü kaplar. Enstrüman yüzeyin kilometrekaresini kaplar ve 1.500 metre derinliğe kadar 4,920 feet'e kadar uzanır. Şimdiye kadar yapılmış ilk gigaton nötrino dedektörüdür.
IceCube fotoğrafları genellikle karlı yüzeyde oturan bir bina gösterirken, asıl iş aşağıda yapılır. Çok amaçlı deney, bir yüzey dizisi, IceTop, dizelerin üzerinde oturan 81 istasyon dizisi içerir. IceTop, birincil kozmik ışınlardan gelen hava duşlarını, akılarını ve bileşimlerini tespit etmenin yanı sıra IceCube için bir kalibrasyon dedektörü olarak hizmet eder.
Yoğun iç alt dedektör DeepCore, IceCube deneyinin güç merkezidir. IceTop istasyonlarının her biri, birbirinden 410 metre (125 metre) aralıklı altıgen bir ızgara üzerine yerleştirilen dijital optik modüllere (DOM) bağlı dizelerden oluşur. Her bir dize 60 basketbol büyüklüğünde DOM içerir. Burada, buzun derinliklerinde IceCube, güneşten, Samanyolu'nun içinden ve galaksinin dışından gelen nötrinoları avlayabilir. Bu hayalet parçacıklar, şimdiye kadar gözlemlenen en yüksek enerji parçacıkları olan kozmik ışınlara bağlanır.
[İlgili: Bir Neutrino'yu Kaynağına İzleme: Resimlerdeki Keşif]
Gizemli parçacıklar
Kozmik ışınlar ilk olarak 1912'de keşfedildi. Güçlü radyasyon patlamaları, galaksinin tüm bölgelerinden akan Dünya ile sürekli çarpışıyor. Bilim adamları yüklü parçacıkların evrendeki en şiddetli ve en az anlaşılan nesnelerden ve olaylardan bazılarını oluşturması gerektiğini hesapladılar. Bir yıldızın, bir süpernova'nın patlayıcı yıldız ölümü, kozmik ışınlar yaratmanın bir yöntemini sağlar; galaksilerin ortasındaki aktif kara delikler başka.
Kozmik ışınlar yüklü parçacıklardan oluştuğu için, yıldızların manyetik alanlarıyla ve geçtikleri diğer nesnelerle etkileşirler. Alanlar kozmik ışınların yolunu çözer ve kaydırır, bu da bilim adamlarının onları kaynaklarına kadar izlemelerini imkansız hale getirir.
Nötrinolar devreye giriyor. Kozmik ışınlar gibi, düşük kütleli parçacıkların da şiddet yoluyla oluştuğu düşünülmektedir. Ancak nötrinoların hiçbir yükü olmadığı için, manyetik alanlardan yollarını değiştirmeden geçerler, kaynaklarından düz bir çizgi halinde ilerlerler.
IceCube web sitesine göre, "Bu nedenle, kozmik ışınların kaynaklarının aranması da çok yüksek enerjili nötrino arayışı haline geldi."
Bununla birlikte, nötrinoları bu kadar iyi haberciler yapan aynı özellikler, tespit edilmelerinin zor olduğu anlamına da gelir. Her saniyede yaklaşık 100 milyar nötrino vücudunuzun bir inç karesinden geçer. Çoğu güneşten gelir ve IceCube tarafından tanımlanabilecek kadar enerjik değildir, ancak bazılarının Samanyolu'nun dışında üretilmesi muhtemeldir.
Nötrinoların lekelenmesi, su veya buz gibi çok berrak bir malzemenin kullanılmasını gerektirir. Tek bir nötrino bir atom içindeki bir protona veya nötrona çarptığında, ortaya çıkan nükleer reaksiyon, Cherenkov radyasyonu olarak bilinen mavi bir ışık veren ikincil parçacıklar üretir.
IceCube ekibine göre, "Tespit ettiğimiz nötrinolar, nötrinoların üretildiği nesneleri ve olguları anlamamıza yardımcı olan parmak izleri gibidir."
Zorlu koşullar
Güney Kutbu dış mekan olmayabilir, ancak kendi zorluklarını getirir. Mühendisler, IceCube üzerinde 2004 yılında planlanan ve 2010 yılında programa göre tamamlanan yedi yıllık bir projeye başladılar. İnşaat, her yıl birkaç ay boyunca, Kasım-Şubat ayları arasında gerçekleşen Güney Yarımküre'nin yazında gerçekleştirilebilir.
86 delik delmek için özel bir matkap tipi gerekiyordu - ikisi de aslında. Birincisi, yaklaşık 50 metreye kadar sıkıştırılmış bir kar tabakası olan firn boyunca ilerledi. Daha sonra, yüksek basınçlı bir sıcak su matkabı buzun içinden dakikada yaklaşık 2 metre (6,5 feet) hızda erimiş, 2.450 metre derinliğe kadar (8.038 fit veya 1.5 mil).
IceCube'e göre, "Birlikte, iki matkap, enstrümantasyon için her iki günde bir delik hızında yerleştirilmeye hazır, neredeyse mükemmel dikey delikler üretebiliyordu."
Daha sonra teller, buz yeniden donmadan önce erimiş suya hızla yerleştirilmelidir. Donma stabilize olmak için birkaç hafta sürdü, daha sonra enstrümanlar dokunulmaz kaldı, buzda kalıcı olarak donduruldu ve tamir edilemedi. Aletlerin arıza oranı son derece yavaştır ve şu anda 5.500 sensörün 100'ünden azı şu anda çalışmaz.
IceCube, diğer dizeler konuşlandırılsa bile en başından gözlem yapmaya başladı.
Halzen'e göre, proje ilk başladığında araştırmacılar ışığın buzdan ne kadar uzaklaşacağı konusunda net değillerdi. Bu bilgiler iyi bir şekilde oluşturulduğunda, işbirliği IceCube-Gen2 için çalışıyor. Yükseltilmiş gözlemevi yaklaşık 80 daha fazla dedektör dizesi eklerken, buzun özelliklerinin anlaşılması, araştırmacıların sensörleri orijinal muhafazakar tahminlerinden daha geniş bir alana yerleştirmelerini sağlayacaktır. IceCube-Gen2 neredeyse aynı maliyetle gözlemevinin boyutunu iki katına çıkarmalıdır.
İnanılmaz bilim
IceCube, tamamlanmadan önce nötrinoları aramaya başladı ve yol boyunca birkaç ilginç bilimsel sonuç üretti.
Mayıs 2010 ve Mayıs 2012 arasında IceCube 28 çok yüksek enerjili parçacık gözlemledi. Halzen, dedektörün bu aşırı olayları gözlemleme yeteneğini dedektörün tamamlanmasına bağladı.
Halzen yaptığı açıklamada, "Bu, güneş sistemimizin dışından gelen, 1987'de gözlemlenen enerjilerin Büyük Macellan Bulutu'nda görülen bir süpernova ile bağlantılı olarak bir milyondan fazla kez olduğu çok yüksek enerjili nötrinoların ilk göstergesidir." Dedi. "Sonunda ne aradığımızı görmek memnuniyet verici. Bu yeni bir astronomi çağının şafağı."
Nisan 2012'de, çocukların televizyon programı "Susam Sokağı" ndaki karakterlerin ardından bir çift yüksek enerjili nötrino tespit edildi ve Bert ve Ernie lakaplıydı. 1 petaelektronvolt'un (PeV) üzerindeki enerjilerle, çift 1987 süpernovadan bu yana güneş sisteminin dışından kesin olarak tespit edilen ilk nötrinolardı.
Almanya'daki Erlangen-Nürnberg Üniversitesi'nde parçacık fiziği olan Uli Katz, araştırmaya dahil olmayan "Bu büyük bir atılımdır." Dedi. "Bence astro-parçacık fiziğinin mutlak büyük keşiflerinden biri," dedi Katz Space.com'a.
Bu gözlemler IceCube'un 2013 Fizik Dünyası Yılın Atılımını kazanmasına neden oldu.
Gözlemevi, bilim adamlarının "Susam Sokağı" ndan Big Bird adını verdiği bir olayı tespit ettikleri 4 Aralık 2012'de bir diğer büyük getirisi geldi. Big Bird, 2 katrilyon elektron voltunu aşan, bir diş röntgeni enerjisinden milyon milyondan fazla bir elektron kütlesinin milyonda birinden daha az bir tek parçacık halinde paketlenmiş bir nötrino idi. O zaman, şimdiye kadar tespit edilen en yüksek enerjili nötrino idi; 2018 itibariyle hala ikinci sırada.
NASA'nın Fermi Gamma-ray Uzay teleskopunun yardımıyla bilim adamları, Big Bird'ü PKS B1424-418 olarak bilinen bir blazar'un son derece enerjik patlamasına bağladılar. Blazarlar, bir galaksinin merkezindeki süper kütleli kara deliklerle güçlendirilmiştir. Kara delik malzemeyi aşağı indirirken, malzemenin bir kısmı galaksideki yıldızları gölgede bırakan çok fazla enerji taşıyan jetlere saptırılır. Jetler maddeyi hızlandırır, nötrinolar ve bazı kozmik ışınlar oluşturan atom parçaları oluşturur.
2012 yazında başlayan blazar, gama ışınlarında püskürmeden önceki ortalamasından 15 ila 30 kat daha parlak parladı. Güney gökyüzünde yaklaşık 100 aktif gökada rutin olarak izleyen TANAMI adlı uzun vadeli bir gözlem programı, galaksinin jetinin çekirdeğinin 2011 ve 2013 arasında dört kez parlaklaştığını ortaya koydu.
Almanya'daki Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü'nden (MPIfR) Eduardo Ros, 2016 yılında yaptığı açıklamada, "TANAMI tarafından program ömrü boyunca gözlemlenen galaksilerimizden hiçbiri böyle dramatik bir değişiklik sergilemedi." Dedi. Ekip, iki olayın bağlantılı olduğunu hesapladı.
Würzburg Üniversitesi'nde astrofizik profesörü Matthias Kadler, "Tüm gözlemler dikkate alındığında, blazar, Big Bird nötrino'yu ateşlemek için araçlara, güce ve fırsata sahip görünüyor." Almanya."
Temmuz 2018'de IceCube, ilk kez nötrinoları kaynak blazar'ya kadar takip ettiğini açıkladı. Eylül 2017'de, güçlü bir nötrino adayını tespit ettikten birkaç dakika sonra dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarına yayın yapan yeni kurulan bir uyarı sistemi sayesinde, araştırmacılar teleskoplarını yeni sinyalin ortaya çıktığı yönde hızlı bir şekilde çevirebildiler. Fermi, araştırmacıları gökyüzünün aynı bölümünde TXS-0506 + 056 olarak bilinen aktif bir blazar varlığı konusunda uyardı. Yeni gözlemler, blazar'un alevlendiğini ve normalden daha parlak enerji patlamaları yaydığını doğruladı.
Çoğunlukla, TXS tipik bir blazar; Fermi tarafından tespit edilen en parlak 100 blazardan biri. Bununla birlikte, diğer 99 kişi de parlak olsa da, IceCube'a karşı nötrinoları fırlatmadılar. Son aylarda TXS, önceki yıllara göre yüz kat daha güçlü bir şekilde parlıyor, parlıyor ve karartıyor.
Üniversiteden Gregory Sivakoff, "IceCube tarafından tespit edilen yüksek enerjili nötrino'nun TXS 0506 + 056'ya geri döndüğünü izlemek, bunu ilk kez belirli bir nesneyi böyle yüksek enerjili bir nötrino'nun olası kaynağı olarak tanımlayabilmemizi sağlıyor." Kanada'da Alberta'dan yaptığı açıklamada, dedi.
IceCube henüz bitmedi. Yeni alarm sistemi, gökbilimcileri gelecek yıllarda ayak parmaklarında tutacak. Gözlemevinin 20 yıllık planlanan bir ömrü vardır, bu nedenle Güney Kutbu gözlemevinden gelen en az on yıl boyunca inanılmaz keşifler var.
