Per keletą pastarųjų metų mokslo pažanga buvo tiesiog fundamentali: kosminius įvykius pradėjome matyti apskritai be jokių fotonų registravimo – daugiausiai prie to prisidėjo LIGO laboratorija, fiksuojanti gravitacines bangas. Tačiau LIGO – ne pirmas šios „neregimos“ lygos žaidėjas. Keliais metais anksčiau Pietų Ašigalyje darbą pradėjo „IceCube“ jutiklis, bandantis suskaičiuoti kosminius neutrinus.
Tiesa, rezultatą LIGO pateikė anksčiau: šis detektorius jau užfiksavo kosminį įvykį, kuomet gravitacinių bangų signalas Žemę pasiekė kartu su optiniu signalu (gama spindulių žybsniu). Tai buvo pirmas kartas astronomijos istorijoje, kuomet vienas įvykis buvo užfiksuotas keliose fundamentaliai fizikiniu požiūriu skirtingose terpėse.
Nors „IceCube“ registruotų signalų kolekcijoje jau yra fenomenaliai didelės energijos neutrinų, mokslininkai nesugebėjo susieti jų su konkrečiais fotonų šaltiniais. Tačiau vakar padėtis visiškai pasikeitė: pirmą kartą paskelbta apie užfiksuotą didelės energijos neutrinų signalą, kurį tiesiai į Žemę veikiausiai pasiuntė supermasyvi juodoji skylė (blazaras).
Neutrinų medžioklė
Didelės energijos neutrinai, mus pasiekiantys iš kosmoso, yra siejami su pačiomis didžiausiomis kosminių spindulių paslaptimis: iš kur atsiranda tokios fenomenalios energijos dalelės? Jos gali būti milijonais kartų energingesnės už tas daleles, kurias mokslininkai gauna pačiuose galingiausiuose dalelių greitintuvuose Žemėje. Šiokių tokių minčių apie jų kilmę turime, tačiau iki šiol nesame tiksliai ir nepaneigiamai nustatę kosminių spindulių šaltinio.
Bet labai tikėtina, kad šie spindulių šaltiniai taip pat yra ir didelės energijos neutrinų šaltiniai. Žinant, kad neutrinai jokio krūvio neturi, daroma išvada, kad jie patys savaime pagreitėti negali. Vadinasi, jie yra išmetami kažkokių kitų didelės energijos dalelių skilimo metu, taip pat paveldėdami dalį tų dalelių energijos. O tai reiškia, kad peta-elektronvoltų lygio energijos registravimas yra dar didesnės energijos dalelės egzistavimo pėdsakas.
„IceCube“ sukonstruotas specialiai taip identifikuotų iš kosmoso atkeliaujančius neutrinus. Tai yra Antarktidos ledo kubas (todėl taip ir pavadintas), kurio viena kraštinė yra kilometro ilgio, o šonai nusagstyti fotodetektoriais. Kartkartėmis neutrinai sąveikauja su ledą sudarančiais atomais. Jeigu neutrinas būna pakankamai energingas, susidarantis muonas gali turėti pakankamai energijos, kad lede keliautų greičiau už šviesą. Fizikoje toks greitis yra „nepriimtinas“, todėl muonas labai greitai praranda savo energiją išspinduliuodamas fotonus (tai yra vadinama „Čerenkovo spinduliuote“). „IceCube“ fotodetektoriai būtent tuos fotonus ir registruoja, leisdami mokslininkams nustatyti, kokios energijos buvo juos „pagimdę“ neutrinai ir iš kur jie atkeliavo.
Taigi, greta esamų astronominių jutiklių, kurių paskirtis yra mūsų atmosferą kertančių kosminių spindulių aptikimas, „IceCube“ gali nustatyti ir jų šaltinį pagal neutrinus, kurie randasi kartu su kosminiais spinduliais.
Turbūt reikėtų paminėti ir tai, kad kosminiai spinduliai, susiduriantys su Žemės atmosfera, iš tiesų sukelia trikdžių „IceCube“ veikimui, nes šių susidūrimų metu taip pat generuojami muonai, kuriuos registuroja jutikliai. Tačiau juos galima ganėtinai nesunkiai atskirti – jų signalas detektorių pasiekia iš išorinės pusės. Atmetus tokius signalus ir visą dėmesį sutelkus tik į tuos muonus, kurie susidaro kilometrinio ledo kubo viduje, įmanoma išskirti įvykius, kuriuos sukėlė milžiniškus atstumus nukeliavę neutrinai.
Signalas
Iki šiol „IceCube“ yra fiksavęs dešimtis ekstremaliai aukštos energijos neutrinų ir apytiksliai nustatęs jų kilmės kryptį, tačiau kol kas tomis kryptimis nėra nustatyta jokių įdomių fotonų šaltinių. Bet su šiuo jutikliu dirbantys mokslininkai nenuleido rankų ir sukūrė sistemą, kuri iškart po neutrino registravimo kitiems astronomams pateiktų apytikslę informaciją apie tai, iš kur jis atkeliavo. O vėliau suteikiama pirmenybė procesams, tiksliau apskaičiuojantiems informaciją apie kryptį.
Ši sistema jau veikė praėjusių metų rugsėjį, kai atvyko neutrinas 170922A, po kurio registravimo astronomams buvo išsiųstas jau dešimtas įspėjimas. Neutrinas jutiklius paveikė apie 24 tera-elektronvoltų energija (maždaug dukart daugiau nei sugeba „išspausti“ Didysis hadronų greitintuvas LHC- 13 TeV). O tai reiškia, kad dalelės, sugeneravusios neutriną, energija buvo peta-elektronvoltų lygio ir ji yra priskirtina didelės energijos kosminiams spinduliams.
Kur kas svarbiau šį kartą buvo tai, kad neutrinas atkeliavo iš tos pačios kosmoso pusės, kurioje jau buvo žinomas fotonų šaltinis – blazaras TXS 0506+056. Blazarai yra tam tikra kvazaro – supermasyvios juodosios skylės, tūnančios galaktikos centre versija, kuri maitinasi supančia materija. Maitinimosi metu šie objektai spjaudosi dalelių ir fotonų čiurkšlėmis, kurioms energijos suteikia juodosios skylės ir jos aplinkos magnetinis laukas. Retais atvejais blazarų orientacija būna tokia, kad jų mėtomos čiurkšlės yra matomos iš Žemės (t. y., patenkame į jų čiurkšlių kelią).
Blazarų skleidžiami signalai bėgant laikui gali keistis: juodosios skylės „svirduliuoja“, nepastovus būna ir į jas patenkančios medžiagos srautas, todėl energija, pasiunčiama į kosmoso gelmes, taip pat svyruoja. Vėlesni stebėjimai gama ir rentgeno spindulių teleskopais parodė, kad neutrino registravimo metu TXS 0506+056 blazare buvo prasidėjęs didesnio aktyvumo periodas.
Mokslininkai įvertino ankstesnių TXS 0506+056 stebėjimų duomenis ir palygino blazaro pozicijos informaciją su duomenimis, gautais iš „IceCube“. Jie mano, kad pagal visus modelius, kuriuose padidintas blazaro aktyvumas yra siejamas su neutrinų gamyba, atsitiktinio dviejų skirtingų šaltinių susiejimo tikimybę galima atmesti trijų standartinių nuokrypių patikimumu. Kitaip tariant, atsitiktinis blazaro ir neutrinių šaltinio krypties sutapimas yra itin menkai tikėtinas, tačiau nepakankamas, kad galėtume tai vadinti neabejotinu atradimu.
Ne pirmas kartas?
Atskirame moksliniame darbe „IceCube“ mokslininkai aprašė visus ankstesnius signalo fiksavimo atvejus, bandydami nustatyti, ar iš tiesų tai yra pirmas kartas, kai sutampa neutrinų ir kosminių spindulių šaltiniai – duomenys buvo kaupiami septynerius metus. Analizės metu buvo nustatinėjamas bendras neutrinų užfiksavimo fonas ir aiškinamasi, ar neutrinų srautas nuo TXS 0506+056 krypties kada nors viršijo foninę reikšmę. Nuo 2013 iki 2015 m. iš tos pusės užfiksuota 13 neutrinų. Gali atrodyt, kad skaičius menkas, tačiau kuomet kalba eina apie neutrinus, kai kiekvieno jų užfiksavimas jau savaime yra rimtas iššūkis, buvo nustatytas 3,5 standartinių nuokrypių dydžio perteklius. Kitaip tariant, neabejotino atradimo nebuvo, tačiau atradimas yra labai tikėtinas.
Galų gale, dėl bandymų susieti neutrinus su blazaru atsirado didelis kiekis teleskopų, nukreiptų į dominančią dangaus sritį ir skenuojančių tą vietą dideliame elektromagnetinių bangų spektre. Paaiškėjo, kad įvertinus visus bangų ilgius TXS 0506+056 yra vienas iš 50 ryškiausių dangaus objektų ir pats ryškiausias įvertinus jo atstumą iki žemės. „Jis yra daugiau nei visa dydžio eile ryškesnis už artimesnius blazarus“, - teigė mokslininkai.
Stebėjimai padėjo griežčiau apibrėžti fizines blazarų savybes ir leido mokslininkams palyginti skirtingus neutrinų susidarymo modelius: vieną, kuriame neutrinai daugiausiai susidaro sąveikaujant tokioms įgreitintoms dalelėms, kai protonai ir antrą, kuriame neutrinai susidaro sąveikaujant elektronams. Galų gale nustatyta, kad jeigu blazarų čiurkšlėse dominavo protonų ir kitų stambesnių dalelių sąveikos, tai tikimybė aptikti neutrinus buvo menka – maždaug du procentai. Tačiau jeigu dominuodavo elektronai, tuomet aptikimo tikimybė būdavo tiesiog siaubinga. Todėl mokslininkai yra linkę daryti išvadą, kad TXS 0506+056 čiurkšles daugiausiai sudaro protonai ir panašios dalelės.
Neabejojama, kad TXS 0506+056 bus stebimas ir toliau, todėl ateityje turėtume gerokai daugiau sužinoti apie blazaro savybes. O „IceCube“ projekto valdytojai teikia siūlymą dar didinti tūrį ledo, apkarstyto fotojutikliais, tokiu būdu padidinant jutiklio jautrumą. Taigi, galima tikėtis, kad ateityje kur kas daugiau žinosime apie tai, kaip Visatoje susidaro didelės energijos dalelės ir kokios sąlygos yra reikalingos norint pasiekti tokias ekstremalias energijas. Galbūt dramatiškumo šiame atradime mažiau nei pirmame gravitacinių bangų užfiksavime, tačiau naujoji „kelių terpių“ astronomijos sritis turėtų smarkiai išplėsti mūsų žinias apie Visatą.
Išsamiau su moksliniu darbu galima susipažinti čia.
