Internet obiegła ostatnio informacja o tak zwanej cząsteczce duchu i stworzonej dzięki niej mapie Drogi Mlecznej. Czy to jakaś sensacyjna, nowa cząstka? Cegiełka materii tworzącej poltergeisty? Niestety nie. To stare, dobre neutrino.
Międzynarodowej grupie naukowców udało się zobrazować Drogę Mleczną przy pomocy rewolucyjnej techniki opartej na wykrywaniu nieuchwytnych dotąd cząstek. Przełom został osiągnięty dzięki współpracy naukowców działających w Obserwatorium Neutrin IceCube utworzonym w należącej do Narodowej Fundacji Nauki stacji Amundsena-Scotta na biegunie południowym.
Obserwatorium IceCube to pierwszy detektor tego typu, zaprojektowany do obserwacji kosmosu z głębi lodu na biegunie południowym. Międzynarodowa grupa naukowców odpowiedzialnych za badania naukowe tworzy grupę IceCube Collaboration, która w zimnie i znoju poszukuje śladów tajemniczych cząstek w lodzie.
Źródło: IceCube Collaboration (Yuya Makino)/U.S. National Science Foundation
Obserwatorium obejmujące kilometr sześcienny lodu, poszukuje niemal bezmasowych cząstek subatomowych zwanych neutrinami. Ci wysokoenergetyczni, posłańcy dostarczają informacji do badania najbardziej gwałtownych źródeł energii znanych astrofizyce, takich jak eksplodujące gwiazdy, wybuchy promieniowania gamma a także zjawiska kataklizmiczne z udziałem czarnych dziur i gwiazd neutronowych.
Antarktyczne obserwatorium neutrin, w skład którego wchodzi również element powierzchniowy IceTop i gęsta sieć detektorów wypełniających DeepCore, zostało zaprojektowane jako eksperyment wielozadaniowy. Naukowcy IceCube zajmują się kilkoma ważnymi kwestiami w fizyce, takimi jak natura ciemnej materii i właściwości samego neutrina. IceCube obserwuje również promieniowanie kosmiczne, które oddziałuje z atmosferą Ziemi. Pozwoliło to na ujawnienie fascynujących struktur kosmicznych, które nie zostały do tej pory zbadane. Wysokoenergetyczne cząstki zderzają się z cząstkami ziemskiej atmosfery rozbijając je na składowe, które następnie docierają do powierzchni naszej planety w postaci tak zwanego promieniowania wtórnego. Co ciekawe obecna nauka jest w stanie “posklejać” do kupy informacje pochodzące z takiego rozstrzelonego śrutu cząstek, aby opisać właściwości pierwotnej cząstki promieniowania kosmicznego. To trochę jak układanie puzzli. Tylko dużo bardziej skomplikowane.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Projekt IceCube tworzy ponad trzystu pięćdziesięciu fizyków z pięćdziesięciu ośmiu instytutów naukowych w czternastu krajach. Ekscytujące badania prowadzone przez ten konglomerat badaczy otwierają nowe okno na odkrywanie naszego wszechświata. To ogromne obserwatorium wykrywa subtelne oznaki wysokoenergetycznych cząstek z kosmosu za pomocą tysięcy połączonych w sieć czujników umieszczonych głęboko w kilometrze sześciennym nieskazitelnie czystego antarktycznego lodu. Wyniki badań zostały opublikowane pod koniec czerwca 2023 roku podczas konferencji na Uniwersytecie Drexel.
Już samo wykrycie nieuchwytnych neutrin i odróżnienie ich od innych rodzajów cząstek międzygwiezdnych jest zadaniem trudnym. Prawie tak trudnym jak obliczenie składki zdrowotnej, ale naukowcy poszli w tym trudzie jeszcze dalej. Ich celem było również ustalenie, skąd owe cząstki pochodzą.
Aby zrozumieć jak ciężkim zadaniem jest obserwacja neutrin musimy zrozumieć jak łatwo penetrują one wszelką materię. Jeśli użyjemy najprostszej analogii i porównamy cząstki do kulek. Oczywiście nie są żadnymi kulkami, ale próba poprawnego opisania penetracji materii przez neutrino jako wzajemnego oddziaływania zaburzeń danego pola kwantowego byłaby zadaniem karkołomnym i bardziej zniekształcającym przekaz niż cokolwiek wyjaśniającym.
Więc… aby zrozumieć jak ciężkim zadaniem jest obserwacja neutrin wyobraźmy je sobie jako bardzo, bardzo, bardzo małe kulki o promieniu rzędy wielkości mniejszym niż promienie kulek budujących materię naszej planety. Lot neutrino przez kulę ziemską przypominałby lot statku kosmicznego przez pas planetoid. W prawie 100% przypadków przelecielibyśmy przez niego nie napotykając po drodze żadnej planetoidy. Z naszej perspektywy są one umieszczone zbyt rzadko, mimo że ich rozmiar jest o wiele większy niż rozmiar naszego pojazdu. Jest jednak oczywiście niezerowa szansa, że na naszej drodze którąś z milionów asteroid napotkamy. I właśnie takich momentów wypatrują naukowcy w Ice Cube.
Źródło: IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
Gdy neutrina wchodzą w interakcję z lodem pod Obserwatorium, te rzadkie spotkania wytwarzają słabe błyski światła, które IceCube jest w stanie wykryć. Niektóre wzory światła są bardzo ukierunkowane i wyraźnie wskazują na konkretny obszar nieba, umożliwiając naukowcom określenie źródła ich pochodzenia. Takie interakcje były podstawą do odkrycia przez IceCube Collaboration w dwa tysiące dwudziestym drugim roku neutrin pochodzących z galaktyki oddalonej o czterdzieści siedem milionów lat świetlnych.
Według głównej autorki projektu, profesor Naoko Kurahashi Neilson z Uniwerystetu Drexel: inne interakcje są znacznie mniej ukierunkowane i wytwarzają kaskadowe „kule światła” w lodzie. Dwaj doktoranci z IceCube Collaboration, Steve Sclafani i Mirco Hünnefeld (Hynefeld), opracowali algorytm uczenia maszynowego, który porównał względne położenie, rozmiar i energię ponad sześćdziesięciu tysięcy takich kaskad światła generowanych przez neutrina, zarejestrowanych przez IceCube na przestrzeni dziesięciu lat. Kurahashi Neilson stworzyła zaś innowacyjną technikę analizy obliczeniowej wykorzystaną do wygenerowania obrazu.
Najnowsze filmy
Trójka badaczy spędziła ponad dwa lata na skrupulatnym testowaniu i weryfikowaniu swojego algorytmu przy użyciu sztucznych danych symulujących detekcje neutrin. Kiedy w końcu wprowadzili do algorytmu prawdziwe dane dostarczone przez IceCube, wyłonił się obraz przedstawiający jasne plamy odpowiadające lokalizacjom w Drodze Mlecznej, które podejrzewano o emisję neutrin. Lokalizacje te znajdowały się w miejscach, w których zaobserwowane promienie gamma uważano za produkty uboczne zderzeń promieni kosmicznych z gazem międzygwiezdnym, które teoretycznie powinny również wytwarzać neutrina. W ten sposób z danych zaczął wyłaniać się obraz naszej galaktyki zbudowany z neutrin, a właściwie ich rzadkiego oddziaływania z lodem na antarktydzie.
Wspominając moment, w którym ona i jej współpracownicy po raz pierwszy zbadali obraz, Kurahashi-Neilson powiedziała: jesteśmy pierwszymi w historii ludzkości, którzy widzą naszą galaktykę jako cokolwiek innego niż światło.
Jak dodaje Denise Caldwell dyrektor Wydziału Fizyki NSF, który to wydział sfinansował badanie,: „Możliwości zapewniane przez bardzo czuły detektor IceCube, w połączeniu z nowymi narzędziami do analizy danych, dały nam zupełnie nowy obraz naszej galaktyki – taki, który wcześniej był tylko zasugerowany. W miarę doskonalenia tych możliwości, możemy oczekiwać, że obraz ten będzie generowany z coraz większą rozdzielczością, potencjalnie ujawniając ukryte cechy naszej galaktyki, których ludzkość nigdy wcześniej nie widziała”.
W ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy ujawnili niezliczone odkrycia astronomiczne, nieustannie rozszerzając metody stosowane do obserwacji wszechświata. Do niegdyś rewolucyjnych osiągnięć, takich jak radioastronomia i astronomia podczerwona, dołączyła nowa klasa technik obserwacyjnych wykorzystujących zjawiska takie jak fale grawitacyjne, a teraz także neutrina. Kurahashi Neilson twierdzi, że obraz Drogi Mlecznej oparty na neutrinach jest kolejnym krokiem w tej linii odkryć. Przewiduje, że astronomia neutrinowa będzie doskonalona, podobnie jak metody, które ją poprzedziły, aż do momentu, gdy będzie mogła ujawnić nieznane wcześniej aspekty Wszechświata.
Wystarczy przypomnieć sobie chociażby jak wyglądały obserwacje kosmicznego promieniowania tła i jak rosła rozdzielczość otrzymywanej mapy począwszy od satelity COBE przez WMAP aż do Plancka. Podobnie będzie też w przypadku neutrinowej mapy galaktyki. Swoją droga to pokazuje jak niewielki wycinek rzeczywistości jestesmy w stanie obserwować naszymi oczami.
