But this subatomic particle’s death did not go unmarked. It was announced today in Science that its moment of passing—labelled neutrino event 170922A—triggered a worldwide cascade of astronomical observations using a raft of varied technologies. And these led to the first ever identification of the birthplace of a neutrino from outside our galaxy: in this case, the unimaginably violent cosmic forge of a blazar.
Blazars are incredibly bright natural sources of radio waves. They form when some of the swirling material falling into a supermassive black hole is converted into a hot radiating soup of elementary particles and then gets blasted back out into space in the form of twin jets moving at close to the speed of light. Tracing the 170922A neutrino back to a blazar known as TXS 0506+056, located billions of light years away in the Orion constellation, required the rapid coordinated response of a network of observatories around the world and in orbit above it.
The initial observation that kicked this so-called multimessenger observation campaign off was made by the IceCube detector at the South Pole. IceCube was created by using pressurized hot water to melt 86 shafts into the polar ice over a square kilometer. Before the shafts refroze, cables strung with 60 digital optical modules apiece were lowered down so that the modules sit evenly spaced every 17 meters between 1,450 and 2,450 meters deep. The result is a detector that encompasses a cubic kilometer of solid ice. The optical modules are sealed into basketball-size spheres of borosilicate glass to withstand the crushing pressure and are designed to spot the signature flashes of light that occur when a neutrino smashes into an atom in the clear ice.
When a neutrino collides with any atom, sometimes a muon is produced—a particle that’s essentially a heavier version of an electron. When this happens in ice, the muon travels faster than the local speed of light. (Nothing can travel faster than light in a vacuum, but in ice the speed of light is about 24 percent slower, so a fast particle can outpace it.) When something goes faster than local light speed, a shockwave of photons forms, much like the way that a sonic boom is produced when a plane breaks through the sound barrier. This shockwave creates an eerie blue light known as Cherenkov radiation, and measuring the direction and intensity of the light reveals how much energy the original neutrino possessed, and where in the sky it came from.
Neutrino collisions are exceedingly rare—trillions of neutrinos from the sun stream through your body every second without so much as wobbling an electron—so IceCube has to be big for it to have a statistical chance of catching a collision before the researchers die of old age (IceCube is even bigger than it seems: As long as the resulting muon passes through the detector array, it can spot neutrino collisions that occur in the surrounding ice cap up to about 10 kilometers away). And IceCube has to be deep beneath the surface because only there is the pressure intense enough—700 times normal atmospheric pressure—to squeeze all the air bubbles out of the ice. The bubbles have to be eliminated because they would otherwise scatter the Cherenkov radiation that the detectors are looking for. For a comprehensive description of IceCube’s design, right down to the FPGAs used in the optical modules, you can read the comprehensive account that team member Spencer Klein wrote for IEEE Spectrum in 2011. That article is still au courant: Since it was published “there haven’t been any major changes,” says Klein, “The optical modules are buried under a mile and a half of ice, so there’s no way to really access the hardware. There have been some very minor firmware updates.”
The biggest change since, says Klein, has been in the creation of an automated alert system. This system broadcast an alert to astronomers working around the world just 43 seconds after the 170922A event occurred. IceCube detects muon shockwaves all the time, but these are generally due to low-energy muons that are produced in the Earth’s atmosphere by cosmic rays. These background muons have a different shockwave signature than those produced by high-energy extragalactic neutrinos, but filtering them out automatically requires a detailed model of the optical properties of the specific ice sheet in which IceCube is embedded.
In particular, the ice is slightly contaminated by dust. The dust comes from two sources, accumulated over tens of thousands of years as the sheet slowly formed from surface snowfalls. One is “volcanic eruptions which produce very, very thin, but relatively dense, layers” that run throughout the ice, says Klein. The other source is regular atmospheric dust which isn’t as dense, but occurs throughout the ice: “If there’s dust in the atmosphere, some of that dust will get dragged down with the snow. That does change with time somewhat, so we have a picture of the dust content in Antarctica over the last 70,000 years.”
With experience gained from several years of operation, the IceCube team has considerably improved their understanding of their patch of ice and how the detector behaves in response. Consequently, they spun up the automated system in April 2016. “The detectors and the computer systems at the South Pole look for interesting events and can automatically send out an alert when it sees that something interesting has happened. It takes a fair amount of confidence to get to that point,” says Klein. “It used to be that [a candidate event for an alert] would go to a human being, who would look at it and then send out the alert. That takes time. This alert went out in under a minute.”
The 170922A event alert, with its estimated coordinates of the neutrino’s origin in the sky, went out to astronomers running instruments which can detect gamma rays, such as those onboard the orbiting Swift Observatory. Swift quickly spotted that the 170922A event coordinates matched with those of known blazar TXS 0506+056, and that the blazar was flaring in brightness. “Thanks to the automated trigger…Swift was observing within four hours of the neutrino detection,” said Jamie Kennea, science operation team lead for Swift in a press release.
As the next 14 days rolled on, more and more instruments were brought to bear on TXS 0506+056, allowing it to be monitored across a range of wavelengths from radio, through optical, all the way to X-ray. The 170922A event coincided with a period of heightened activity of TXS 0506+056, and researchers have concluded that it’s 99.7 percent likely that the detected neutrino originated in the flaring blazar. “The fact that we could tie gamma rays and neutrinos together tells us very exciting things about the particle jet,” said Regina Caputo, analysis coordinator for the satellite-based Fermi-LAT gamma ray telescope, at an NSF press conference today.
With the evidence pointing to TXS 0506+056 in hand, the IceCube researchers also checked through their complete records and found that there were between 8 and 18 previous neutrino events that hadn’t met the threshold required for sending an alert, but which likely were also produced by neutrinos streaming from the blazar.
“It’s a pretty amazing finding,” says Klein. “but more data is needed. The multimessenger campaign was based on one neutrino. It’s great to know about one [extragalactic source] but we have a ways to go before we have a systemic understanding.” The IceCube team hopes to get more data by building a next-generation array by spreading out a similar number of digital optical modules over a larger area, and adding seven more closely spaced strings to the original IceCube array. The seven strings in particular “would allow us to do a much better job of understanding the optical properties of the ice,” says Klein, which would let them pinpoint the sources of neutrinos with even greater accuracy.
Μια μοναδική υποατομική σύγκρουση άνοιξε μια νέα πόρτα στην αστρονομία
Από τον Stephen Cass
Μετά από 3,9 δισεκατομμύρια χρόνια ανεμπόδιστη διαμέσου των τεράστιων επιπέδων του σύμπαντος, ένα φαινομενικό σωματίδιο νετρίνο πέθανε στις 22 Σεπτεμβρίου 2017. Εξουδετερώθηκε όταν συγκρούστηκε με ένα άτομο στο παγωμένο σκοτάδι 2 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια του νότιου πολικού πάγου.
Αλλά ο θάνατος αυτού του υποατομικού σωματιδίου δεν έμεινε άσχετος. Ανακοινώθηκε σήμερα στην επιστήμη ότι η στιγμή του γεγονότος νετρίνων 170922A - που επισημάνθηκε με το πέρασμα, πυροδότησε έναν παγκόσμιο καταρράκτη αστρονομικών παρατηρήσεων χρησιμοποιώντας μια σειρά από ποικίλες τεχνολογίες. Και αυτά οδήγησαν στην πρώτη αναγνώριση της γενέτειρας ενός νετρίνου έξω από τον γαλαξία μας: στην περίπτωση αυτή, το αδιανόητα βίαιο κοσμικό σφυρηλάτηση ενός blazar .
Οι Blazars είναι απίστευτα φωτεινές φυσικές πηγές ραδιοκυμάτων. Δημιουργούνται όταν μερικά από τα στροβιλώδη υλικά που πέφτουν σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα μετατρέπονται σε μια ζεστή ακτινοβολούμενη σούπα στοιχειωδών σωματιδίων και στη συνέχεια παίρνουν εκτοξευμένα πίσω στο διάστημα με τη μορφή δίδυμων πίδακες που κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Η ανίχνευση του νετρίνο 170922A πίσω σε ένα blazar γνωστό ως TXS 0506 + 056, που βρίσκεται σε δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά στον αστερισμό Orion, απαιτούσε την ταχεία συντονισμένη απάντηση ενός δικτύου παρατηρητηρίων σε όλο τον κόσμο και σε τροχιά πάνω από αυτό.
Η αρχική παρατήρηση που κλώτσησε αυτή τη λεγόμενη εκστρατεία παρατήρησης πολυμέσων πραγματοποιήθηκε από τον ανιχνευτή IceCube στο Νότιο Πόλο. Το IceCube δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ζεστό νερό υπό πίεση για να λιώσει 86 άξονες στον πολικό πάγο πάνω από ένα τετραγωνικό χιλιόμετρο. Πριν από τη διύλιση των ατράκτων, τα καλώδια που είχαν βυθιστεί με 60 ψηφιακές οπτικές μονάδες κατέβηκαν κάτω, έτσι ώστε τα δομοστοιχεία να κάθονται ομοιόμορφα σε κάθε 17 μέτρα μεταξύ 1,450 και 2,450 μέτρων βάθους. Το αποτέλεσμα είναι ένας ανιχνευτής που περικλείει ένα κυβικό χιλιόμετρο στερεού πάγου. Οι οπτικές μονάδες σφραγίζονται σε σφαίρες μεγέθους μπάσκετ από βοριοπυριτικό γυαλί για να αντέχουν την πίεση συνθλίψεως και έχουν σχεδιαστεί για να εντοπίζουν τις λάμψεις σηματοδοσίας που εμφανίζονται όταν ένα νετρίνο σπάει σε ένα άτομο στον καθαρό πάγο.
Όταν ένα νετρίνο συγκρούεται με οποιοδήποτε άτομο, μερικές φορές παράγεται ένα μιόνιο - ένα σωματίδιο που ουσιαστικά είναι μια βαρύτερη έκδοση ενός ηλεκτρονίου. Όταν συμβαίνει αυτό στον πάγο, το μιονίου ταξιδεύει πιο γρήγορα από την τοπική ταχύτητα φωτός. (Τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως σε κενό, αλλά στον πάγο η ταχύτητα του φωτός είναι περίπου 24% πιο αργή, έτσι ένα γρήγορο σωματίδιο μπορεί να ξεπεράσει αυτό.) Όταν κάτι ξεπερνάει την τοπική ταχύτητα φωτός, δημιουργείται ένα shockwave των φωτονίων, ο τρόπος που παράγεται ένα ηχητικό βραχίονα όταν ένα αεροπλάνο σπάσει μέσα από το φράγμα ήχου. Αυτό το shockwave δημιουργεί ένα καταπληκτικό μπλε φως που είναι γνωστό ως ακτινοβολία Cherenkov και η μέτρηση της κατεύθυνσης και της έντασης του φωτός αποκαλύπτει πόση ενέργεια είχε ο αρχικός νετρίνα και από πού προήλθε από τον ουρανό.
Οι συγκρούσεις Neutrino είναι εξαιρετικά σπάνιες-τρισεκατομμύρια νετρίνα από το ρεύμα του ήλιου μέσα από το σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο χωρίς να τρέχει κανείς ένα ηλεκτρόνιο - οπότε το IceCube πρέπει να είναι μεγάλο για να έχει μια στατιστική πιθανότητα σύλληψης μιας σύγκρουσης πριν οι ερευνητές πεθάνουν από γηρατειά (Το IceCube είναι ακόμα μεγαλύτερο από όσο φαίνεται: Εφόσον το προκύπτον μιόνιο περνά μέσα από τη συστοιχία ανιχνευτών, μπορεί να εντοπίσει συγκρούσεις νετρίνων που συμβαίνουν στο περιβάλλοντα παγοπέδιλο μέχρι περίπου 10 χιλιόμετρα μακριά). Και το IceCube πρέπει να είναι βαθιά κάτω από την επιφάνεια γιατί μόνο η πίεση είναι αρκετά έντονη - 700 φορές κανονική ατμοσφαιρική πίεση - για να συμπιεστούν όλες οι φυσαλίδες αέρα από τον πάγο. Οι φυσαλίδες πρέπει να εξαλειφθούν επειδή διαφορετικά θα διασκορπίσουν την ακτινοβολία Cherenkov που αναζητούν οι ανιχνευτές. Για μια περιεκτική περιγραφή του σχεδιασμού του IceCube, μέχρι τα FPGA που χρησιμοποιούνται στις οπτικές μονάδες, μπορείτε να διαβάσετε τον ολοκληρωμένο λογαριασμό που έγραψε το μέλος της ομάδας Spencer Klein για το IEEE Spectrum το 2011. Το άρθρο αυτό εξακολουθεί να είναι αυθεντικό : δεν έχουν υπάρξει σημαντικές αλλαγές ", λέει ο Klein," Οι οπτικές μονάδες είναι θαμμένες κάτω από ένα μίλι και μισό πάγου, έτσι δεν υπάρχει κανένας τρόπος να αποκτήσετε πραγματικά πρόσβαση στο υλικό. Υπήρξαν κάποιες πολύ μικρές ενημερώσεις υλικολογισμικού. "
Η μεγαλύτερη αλλαγή από τότε, λέει ο Klein, υπήρξε στη δημιουργία ενός αυτοματοποιημένου συστήματος συναγερμού. Αυτό το σύστημα μεταδίδει μια ειδοποίηση σε αστρονόμους που εργάζονται σε όλο τον κόσμο μόλις 43 δευτερόλεπτα μετά το συμβάν 170922A. Το IceCube ανιχνεύει τα μπουκόνια του μιονίου όλη την ώρα, αλλά αυτά γενικά οφείλονται σε χαμηλής ενέργειας μιόνια που παράγονται στην ατμόσφαιρα της Γης από κοσμικές ακτίνες. Αυτά τα μιόνια του φόντου έχουν διαφορετική υπογραφή κραδασμών από αυτά που παράγονται από εξωγαλακτικά νετρίνα υψηλής ενέργειας, αλλά το φιλτράρισμα τους απαιτεί αυτόματα ένα λεπτομερές μοντέλο των οπτικών ιδιοτήτων του συγκεκριμένου φύλλου πάγου στο οποίο είναι ενσωματωμένο το IceCube.
Ειδικότερα, ο πάγος είναι ελαφρώς μολυσμένος από σκόνη. Η σκόνη προέρχεται από δύο πηγές, που συσσωρεύτηκαν για δεκάδες χιλιάδες χρόνια, καθώς το φύλλο σχηματίστηκε αργά από επιφανειακές χιονοπτώσεις. Το ένα είναι "ηφαιστειακές εκρήξεις που παράγουν πολύ, πολύ λεπτά, αλλά σχετικά πυκνά, στρώματα" που τρέχουν σε όλο τον πάγο, λέει ο Klein. Η άλλη πηγή είναι η κανονική ατμοσφαιρική σκόνη που δεν είναι τόσο πυκνή, αλλά εμφανίζεται σε ολόκληρο τον πάγο: "Αν υπάρχει σκόνη στην ατμόσφαιρα, κάποια από αυτή τη σκόνη θα συρθεί με το χιόνι. Αυτό αλλάζει με το χρόνο κάπως, έτσι έχουμε μια εικόνα του περιεχομένου της σκόνης στην Ανταρκτική τα τελευταία 70.000 χρόνια ».
Με την εμπειρία που αποκτήθηκε από πολλά χρόνια λειτουργίας, η ομάδα του IceCube έχει βελτιώσει σημαντικά την κατανόηση του πάτρου πάγου και του τρόπου με τον οποίο ο ανιχνευτής συμπεριφέρεται ως απάντηση. Κατά συνέπεια, περιστρέφονταν το αυτοματοποιημένο σύστημα τον Απρίλιο του 2016. "Οι ανιχνευτές και τα συστήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών στο Νότιο Πόλο αναζητούν ενδιαφέροντα γεγονότα και μπορούν αυτομάτως να στείλουν μια προειδοποίηση όταν βλέπουν ότι έχει συμβεί κάτι ενδιαφέρον. Χρειάζεται αρκετή εμπιστοσύνη για να φτάσει σε αυτό το σημείο "λέει ο Klein. "Κάποτε ήταν ότι [ένα υποψήφιο γεγονός για μια προειδοποίηση] θα πήγαινε σε ένα ανθρώπινο ον, που θα το έβλεπε και έπειτα θα έστειλε την προειδοποίηση. Αυτό απαιτεί χρόνο. Αυτή η ειδοποίηση ξεκίνησε σε λιγότερο από ένα λεπτό. "
Η ειδοποίηση συμβάντος 170922A, με τις εκτιμώμενες συντεταγμένες της προέλευσης του νετρίνο στον ουρανό, βγήκε στους αστρονόμους που τρέχουν όργανα τα οποία μπορούν να ανιχνεύσουν τις ακτίνες γάμμα, όπως εκείνες που βρίσκονται στο τροχαίο Swift Observatory . Το Swift γρήγορα διαπίστωσε ότι οι συντεταγμένες συμβάντων 170922A ταιριάζουν με εκείνες του γνωστού blazar TXS 0506 + 056, και ότι το blazar ήταν φλεγόμενο σε φωτεινότητα. "Χάρη στην αυτοματοποιημένη σκανδάλη ... Η Swift παρατηρούσε μέσα σε τέσσερις ώρες από την ανίχνευση του νετρίνο", δήλωσε ο Jamie Kennea, επικεφαλής ομάδας επιστημονικής λειτουργίας για το Swift σε δελτίο τύπου.
Καθώς οι επόμενες 14 μέρες συνεχίστηκαν, όλο και περισσότερα όργανα επωφελήθηκαν από το TXS 0506 + 056, επιτρέποντάς του να παρακολουθείται σε μια σειρά από μήκη κύματος από το ραδιόφωνο, μέσω οπτικών, σε όλο το φάσμα των ακτίνων Χ. Το συμβάν 170922A συνέπεσε με μια περίοδο αυξημένης δραστηριότητας του TXS 0506 + 056 και οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι είναι 99,7% πιθανό ότι το ανιχνεύσιμο νετρίνο προήλθε από το φλεγόμενο blazar. "Το γεγονός ότι μπορούμε να συνδέσουμε μαζί τις ακτίνες γάμμα και τα νετρίνα, μας λέει πολύ συναρπαστικά πράγματα σχετικά με την εκτόξευση σωματιδίων", δήλωσε σήμερα Regina Caputo, συντονιστής ανάλυσης για το δορυφορικό Fermi-LAT τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα.
Με τα στοιχεία που έδειξαν στο TXS 0506 + 056 στο χέρι, οι ερευνητές του IceCube έλεγξαν επίσης μέσω των πλήρων αρχείων τους και διαπίστωσαν ότι υπήρχαν 8 έως 18 προηγούμενα γεγονότα νετρίνο που δεν πληρούσαν το όριο που απαιτείται για την αποστολή μιας προειδοποίησης, που παράγεται επίσης από νετρίνα που ρέουν από το blazar.
"Είναι ένα πολύ εκπληκτικό εύρημα", λέει ο Klein. "Αλλά χρειάζονται περισσότερα δεδομένα. Η εκστρατεία πολυμέσων βασίστηκε σε ένα νετρίνο. Είναι σπουδαίο να γνωρίζουμε για μια [εξωγαλακτική πηγή] αλλά έχουμε έναν τρόπο να προχωρήσουμε πριν έχουμε μια συστηματική κατανόηση. "Η ομάδα του IceCube ελπίζει να πάρει περισσότερα δεδομένα κατασκευάζοντας μια σειρά επόμενης γενιάς με την εξάπλωση ενός παρόμοιου αριθμού ψηφιακών οπτικών ενοτήτων σε μια ευρύτερη περιοχή και προσθέτοντας επτά επιπλέον χορδές κοντά στον αρχικό πίνακα IceCube. Οι επτά χορδές ειδικότερα "θα μας επιτρέψουν να καταφέρουμε πολύ καλύτερα να κατανοήσουμε τις οπτικές ιδιότητες του πάγου", λέει ο Klein, που θα τους επιτρέψει να εντοπίσουν τις πηγές νετρίνων με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια.
http://dia-kosmos.blogspot.gr/
Comments