Ongeveer vier miljard jaar geleden, toen de planeet Aarde nog in de kinderschoenen stond, wees de as van een zwart gat ongeveer een miljard keer zo massief als de zon precies naar de plek waar onze planeet op 22 september 2017 zou staan.
Langs de as stuurde een krachtige energiestraal van deeltjes fotonen en neutrino's in onze richting met of nabij de snelheid van het licht. Het IceCube Neutrino Observatorium op de Zuidpool detecteerde een van deze subatomaire deeltjes - de IceCube-170922A neutrino - en voerde het terug naar een klein stukje lucht in het sterrenbeeld Orion en lokaliseerde de kosmische bron: een wijd uitlopend zwart gat ter grootte van een miljard zonnen, 3, 7 miljard lichtjaar van de aarde, bekend als blazar TXS 0506 + 056. Blazars zijn al enige tijd bekend over. Wat niet duidelijk was, was dat ze energierijke neutrino's konden produceren. Nog spannender was dat dergelijke neutrino's nooit eerder tot de bron waren herleid.
Het vinden van de kosmische bron van energierijke neutrino's voor het eerst, aangekondigd op 12 juli 2018 door de National Science Foundation, markeert het begin van een nieuw tijdperk van neutrino-astronomie. Achtervolgd in passen en begint sinds 1976, toen pionierende natuurkundigen voor het eerst probeerden een grootschalige energierijke neutrinodetector te bouwen voor de Hawaiiaanse kust, markeert de ontdekking van IceCube de triomfantelijke conclusie van een lange en moeilijke campagne door vele honderden wetenschappers en ingenieurs - en tegelijkertijd de geboorte van een volledig nieuwe tak van de astronomie.
Het sterrenbeeld Orion, met een bullseye op de locatie van de blazar. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) De detectie van twee verschillende astronomische boodschappers - neutrino's en licht - is een krachtige demonstratie van hoe zogenaamde multimessenger-astronomie de hefboom kan bieden die we nodig hebben om enkele van de meest energetische fenomenen in het universum te identificeren en te begrijpen. Sinds de ontdekking als een neutrinobron minder dan een jaar geleden is blazar TXS 0506 + 056 onderwerp van intensieve controle geweest. De bijbehorende stroom neutrino's blijft diep inzicht bieden in de fysieke processen die aan het werk zijn in de buurt van het zwarte gat en de krachtige straal deeltjes en straling, bijna direct naar de aarde gericht vanaf de locatie net buiten de schouder van Orion.
Als drie wetenschappers in een wereldwijd team van natuurkundigen en astronomen die betrokken zijn bij deze opmerkelijke ontdekking, werden we aangetrokken om deel te nemen aan dit experiment vanwege de enorme durf, voor de fysieke en emotionele uitdaging van lange ploegen werken op een brutaal koude locatie terwijl je dure invoegt, gevoelige apparatuur in gaten geboord 1, 5 mijl diep in het ijs en waardoor het allemaal werkte. En natuurlijk voor de opwindende kans om de eerste mensen te zijn die in een gloednieuwe soort telescoop turen en zien wat deze onthult over de hemel.
**********
Op een hoogte van meer dan 9000 voet en met gemiddelde zomertemperaturen die zelden een frigide -30 Celsius breken, is de Zuidpool misschien niet de ideale plek om iets te doen, afgezien van opscheppen over het bezoeken van een plek die zo zonnig en helder is dat je zonnebrandcrème nodig hebt voor je neusgaten. Aan de andere kant, als je eenmaal beseft dat de hoogte te wijten is aan een dikke laag ultrapuur ijs gemaakt van enkele honderdduizend jaar ongerepte sneeuwval en dat de lage temperaturen het allemaal mooi bevroren hebben gehouden, dan is het misschien niet zo dat je dat verrast voor neutrino telescoopbouwers, de wetenschappelijke voordelen wegen zwaarder dan de verboden omgeving. De Zuidpool is nu de thuisbasis van 's werelds grootste neutrinodetector, IceCube.
Maart 2015: het IceCube-laboratorium op het Zuidpoolstation Amundsen-Scott, op Antarctica, host de computers die onbewerkte gegevens van de detector verzamelen. Vanwege de toewijzing van satellietbandbreedte gebeurt het eerste niveau van reconstructie en gebeurtenisfiltering in bijna realtime in dit lab. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Het lijkt misschien vreemd dat we zo'n uitgebreide detector nodig hebben, gezien het feit dat ongeveer 100 miljard van deze fundamentele deeltjes elke seconde dwars door je miniatuur sjouwen en moeiteloos door de hele aarde glijden zonder interactie met een enkel aards atoom.
Neutrino's zijn in feite de tweede meest voorkomende deeltjes, alleen na de kosmische microgolfachtergrondfotonen die overblijven van de Big Bang. Ze omvatten een kwart van bekende fundamentele deeltjes. Maar omdat ze nauwelijks interactie hebben met andere materie, zijn ze misschien wel het minst goed begrepen.
Om een handvol van deze ongrijpbare deeltjes te vangen en hun bronnen te ontdekken, hebben natuurkundigen grote - kilometers brede - detectors nodig die zijn gemaakt van optisch helder materiaal - zoals ijs. Gelukkig heeft Moeder Natuur deze ongerepte plaat van helder ijs geleverd waar we onze detector konden bouwen.
Het IceCube Neutrino Observatorium heeft een volume van ongeveer een kubieke kilometer helder Antarctisch ijs met 5.160 digitale optische modules (DOM's) op een diepte tussen 1.450 en 2.450 meter. Het observatorium omvat een dicht geinstrumenteerde subdetector, DeepCore, en een oppervlakte luchtdouche array, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Op de Zuidpool hebben honderden wetenschappers en ingenieurs meer dan 5.000 individuele fotosensoren gebouwd en ingezet in 86 afzonderlijke 1, 5-mijl diepe gaten gesmolten in de poolijskap met een speciaal ontworpen heetwaterboor. In de loop van zeven Australische zomerseizoenen hebben we alle sensoren geïnstalleerd. De IceCube-array is begin 2011 volledig geïnstalleerd en neemt sindsdien continu gegevens op.
Deze reeks ijsgebonden detectoren kan met grote precisie detecteren wanneer een neutrino erdoorheen vliegt en een interactie aangaat met een paar aardse deeltjes die schemerige patronen van blauwachtig Cherenkov-licht genereren, die worden afgegeven wanneer geladen deeltjes door een medium als ijs bewegen met bijna lichtsnelheid.
**********
De achilleshiel van neutrinodetectoren is dat andere deeltjes, afkomstig uit de nabije atmosfeer, ook deze patronen van blauwachtig Cherenkov-licht kunnen activeren. Om deze valse signalen te elimineren, worden de detectoren diep in het ijs begraven om interferentie weg te filteren voordat deze de gevoelige detector kan bereiken. Maar ondanks dat het bijna een mijl van vast ijs is, wordt IceCube nog steeds geconfronteerd met een aanval van ongeveer 2500 van dergelijke deeltjes per seconde, die elk waarschijnlijk door een neutrino zouden kunnen zijn veroorzaakt.
Met de verwachte snelheid van interessante, echte astrofysische neutrino-interacties (zoals inkomende neutrino's uit een zwart gat) die rond ongeveer een per maand zweefden, werden we geconfronteerd met een angstaanjagend naald-in-een-hooibergprobleem.
De IceCube-strategie is om alleen te kijken naar evenementen met zo'n hoge energie dat het buitengewoon onwaarschijnlijk is dat ze atmosferisch van oorsprong zijn. Met deze selectiecriteria en meerdere jaren aan gegevens, ontdekte IceCube de astrofysische neutrino's waar het al lang naar op zoek was, maar het kon geen individuele bronnen - zoals actieve galactische kernen of gammastraaluitbarstingen - identificeren tussen de enkele tientallen energierijke neutrino's die het had gevangen.
Om echte bronnen te plagen, begon IceCube in april 2016 met de aankomst van neutrino-aankomstmeldingen met behulp van het Astrophysical Multimessenger Observatory Network in Penn State. In de loop van de volgende 16 maanden werden 11 IceCube-AMON neutrinowaarschuwingen verspreid via AMON en het Gamma-ray Coordinates Network, slechts enkele minuten of seconden nadat ze op de Zuidpool waren gedetecteerd.
Op 22 september 2017 heeft IceCube de internationale astronomiegemeenschap gewaarschuwd voor de detectie van een energierijke neutrino. Ongeveer 20 observatoria op aarde en in de ruimte deden follow-upobservaties, die identificatie mogelijk maakten van wat wetenschappers beschouwen als een bron van zeer energetische neutrino's en dus van kosmische straling. Naast neutrino's omvatten de observaties die over het elektromagnetische spectrum werden gedaan gammastralen, röntgenstralen en optische en radiostraling. Deze observatoria worden gerund door internationale teams met in totaal meer dan 1.000 wetenschappers ondersteund door financieringsinstanties in landen over de hele wereld. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
De waarschuwingen veroorzaakten een geautomatiseerde reeks röntgen- en ultraviolette observaties met NASA's Neil Gehrels Swift Observatory en leidden tot verdere studies met NASA's Fermi Gamma-Ray Space Telescope en Nuclear Spectroscopic Telescope Array en 13 andere observatoria over de hele wereld.
Swift was de eerste faciliteit om de affakkelen blazar TXS 0506 + 056 te identificeren als een mogelijke bron van de neutrino-gebeurtenis. De Fermi Large Area Telescopethen meldde dat de blazar in een uitlopende staat was en veel meer gammastraling uitzond dan in het verleden. Terwijl het nieuws zich verspreidde, sprongen andere observatoria enthousiast op de bandwagon en een breed scala aan observaties volgde. De MAGIC telescoop op de grond merkte op dat onze neutrino uit een regio kwam met zeer energierijke gammastralen (elk ongeveer tien miljoen keer energieker dan een röntgenfoto), de eerste keer dat een dergelijk toeval ooit werd waargenomen. Andere optische waarnemingen voltooiden de puzzel door de afstand tot blazar TXS 0506 + 056 te meten: ongeveer vier miljard lichtjaar vanaf de aarde.
Met de allereerste identificatie van een kosmische bron van hoog-energetische neutrino's, is een nieuwe tak aan de astronomieboom ontsproten. Naarmate energierijke neutrino-astronomie groeit met meer gegevens, verbeterde inter-observatoriumcoördinatie en meer gevoelige detectoren, kunnen we de neutrino-hemel steeds beter in kaart brengen.
En we verwachten dat opwindende nieuwe doorbraken in ons begrip van het universum zullen volgen, zoals: het oplossen van het eeuwenoude mysterie van de oorsprong van verbazingwekkend energetische kosmische stralen; testen of ruimtetijd zelf schuimend is, met kwantumfluctuaties op zeer kleine afstandsschalen, zoals voorspeld door bepaalde theorieën over kwantumzwaartekracht; en erachter te komen hoe kosmische versnellers, zoals die rond het zwarte gat van de TXS 0506 + 056, erin slagen om deeltjes tot zulke adembenemend hoge energieën te versnellen.
Gedurende 20 jaar had de IceCube-samenwerking een droom om de bronnen van hoog-energetische kosmische neutrino's te identificeren - en deze droom is nu werkelijkheid.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Doug Cowen, hoogleraar natuurkunde en hoogleraar astronomie en astrofysica, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Columbia University
Derek Fox, universitair hoofddocent astronomie en astrofysica, Pennsylvania State University
