Dalam render artistik ini, blazar mempercepat proton yang menghasilkan pion, yang menghasilkan neutrino dan sinar gamma. Neutrino selalu merupakan hasil dari reaksi hadronik seperti yang ditampilkan di sini. Sinar gamma dapat dihasilkan baik dalam interaksi hadronic maupun elektromagnetik. (ICECUBE / NASA)

Yang Pertama Kosmik: Neutrino Berenergi Ultra-Tinggi Ditemukan, Dari Galaksi Nyala Api Di Seluruh Alam Semesta

Pada tahun 1987, kami mendeteksi neutrino dari galaksi lain di supernova. Setelah menunggu selama 30 tahun, kami telah menemukan sesuatu yang lebih baik.

Salah satu misteri besar dalam sains adalah menentukan tidak hanya apa yang ada di luar sana, tetapi apa yang menciptakan sinyal yang kami deteksi di Bumi. Selama lebih dari seabad, kita tahu bahwa zipping melalui Semesta adalah sinar kosmik: partikel energi tinggi yang berasal dari jauh di luar galaksi kita. Sementara beberapa sumber untuk partikel ini telah diidentifikasi, sebagian besar dari mereka, termasuk yang paling energik, tetap menjadi misteri.

Sampai hari ini, semua itu telah berubah. Kolaborasi IceCube, pada 22 September 2017, mendeteksi neutrino berenergi sangat tinggi yang tiba di Kutub Selatan, dan mampu mengidentifikasi sumbernya. Ketika serangkaian teleskop sinar gamma melihat posisi yang sama, mereka tidak hanya melihat sinyal, mereka mengidentifikasi sebuah blazar, yang kebetulan sedang menyala pada saat itu. Akhirnya, umat manusia telah menemukan setidaknya satu sumber yang menciptakan partikel-partikel kosmik ultra-energetik ini.

Ketika lubang hitam memakan materi, mereka membuat piringan akresi dan jet bipolar tegak lurus terhadapnya. Ketika sebuah jet dari lubang hitam supermasif menunjuk ke arah kami, kami menyebutnya benda BL Lacertae atau blazar. Ini sekarang dianggap sebagai sumber utama sinar kosmik dan neutrino berenergi tinggi. (NASA / JPL)

Alam Semesta, di mana pun kita memandang, penuh dengan hal-hal untuk dilihat dan berinteraksi. Materi berkelompok menjadi galaksi, bintang, planet, dan bahkan manusia. Radiasi mengalir melalui Semesta, yang meliputi keseluruhan spektrum elektromagnetik. Dan di setiap sentimeter kubik ruang, ratusan partikel bermassa kecil yang dikenal sebagai neutrino dapat ditemukan.

Setidaknya, mereka dapat ditemukan, jika mereka berinteraksi dengan frekuensi yang cukup dengan masalah normal yang kita tahu bagaimana memanipulasi. Sebagai gantinya, neutrino harus melewati tahun cahaya timah untuk memiliki tembakan 50/50 bertabrakan dengan partikel di sana. Selama beberapa dekade setelah usulanya pada tahun 1930, kami tidak dapat mendeteksi neutrino.

Eksperimen nuklir reaktor RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, menunjukkan karakteristik radiasi Cherenkov dari partikel yang lebih cepat dari cahaya di dalam air yang dipancarkan. Neutrino (atau lebih tepatnya, antineutrino) dihipotesiskan pertama kali oleh Pauli pada tahun 1930 dideteksi dari reaktor nuklir serupa pada tahun 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Pada tahun 1956, kami pertama kali mendeteksi mereka dengan memasang detektor tepat di luar reaktor nuklir, hanya beberapa meter dari tempat neutrino diproduksi. Pada tahun 1960-an, kami membangun detektor yang cukup besar - di bawah tanah, terlindung dari partikel kontaminasi lainnya - untuk menemukan neutrino yang diproduksi oleh Matahari dan oleh tabrakan sinar kosmik dengan atmosfer.

Kemudian, pada tahun 1987, hanya kebetulan yang memberi kami supernova yang sangat dekat dengan rumah sehingga kami dapat mendeteksi neutrino dari itu. Eksperimen yang berjalan untuk tujuan yang sama sekali tidak terkait mendeteksi neutrino dari SN 1987A, mengantar era multi-messenger astronomi. Neutrino, sejauh yang kami tahu, bepergian melintasi Semesta dengan energi yang tidak bisa dibedakan dari kecepatan cahaya.

Sisa-sisa supernova 1987a, terletak di Awan Magellan Besar sekitar 165.000 tahun cahaya. Fakta bahwa neutrino tiba berjam-jam sebelum sinyal cahaya pertama mengajarkan kita lebih banyak tentang durasi yang dibutuhkan cahaya untuk merambat melalui lapisan bintang supernova daripada tentang kecepatan gerak neutrino, yang tidak dapat dibedakan dari kecepatan cahaya. Neutrino, cahaya, dan gravitasi tampaknya bergerak dengan kecepatan yang sama sekarang. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA PHOTOSHOP COCOK LIBERATOR)

Selama sekitar 30 tahun, neutrino dari supernova itu adalah satu-satunya neutrino yang pernah kami konfirmasi berasal dari luar Tata Surya kita, apalagi galaksi rumah kita. Tapi itu tidak berarti kita tidak menerima lebih banyak neutrino; itu hanya berarti bahwa kami tidak dapat dengan kuat mengidentifikasi mereka dengan sumber yang dikenal di langit. Meskipun neutrino berinteraksi sangat lemah dengan materi, mereka lebih cenderung berinteraksi jika energinya lebih tinggi.

Di situlah observatorium IceCube neutrino masuk.

Observatorium IceCube, observatorium neutrino pertama dari jenisnya, dirancang untuk mengamati partikel berenergi tinggi yang sulit dipahami ini dari bawah es Antartika. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Jauh di dalam es Kutub Selatan, IceCube membungkus satu kilometer kubik bahan padat, mencari neutrino yang hampir tanpa massa ini. Ketika neutrino melewati Bumi, ada kemungkinan berinteraksi dengan sebuah partikel di sana. Suatu interaksi akan menyebabkan penumpukan partikel, yang seharusnya meninggalkan tanda tangan yang tidak salah dalam detektor.

Dalam ilustrasi ini, neutrino telah berinteraksi dengan molekul es, menghasilkan partikel sekunder - muon - yang bergerak dengan kecepatan relativistik di dalam es, meninggalkan jejak cahaya biru di belakangnya. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Dalam enam tahun IceCube telah berjalan, mereka telah mendeteksi lebih dari 80 neutrino kosmik berenergi tinggi dengan energi lebih dari 100 TeV: lebih dari sepuluh kali energi tertinggi yang dicapai oleh partikel apa pun di LHC. Beberapa dari mereka bahkan telah mencapai skala PEV, mencapai energi ribuan kali lebih besar dari apa yang diperlukan untuk membuat partikel terberat dari partikel dasar yang diketahui.

Namun terlepas dari semua neutrino asal kosmik ini yang telah tiba di Bumi, kami belum pernah mencocokkannya dengan sumber di langit yang menawarkan lokasi yang pasti. Mendeteksi neutrino ini adalah prestasi yang luar biasa, tetapi kecuali kita dapat menghubungkannya dengan objek aktual yang diamati di Semesta - misalnya, itu juga dapat diamati dalam beberapa bentuk cahaya elektromagnetik - kita tidak memiliki petunjuk mengenai apa yang menciptakannya.

Ketika neutrino berinteraksi di es Antartika yang jernih, ia menghasilkan partikel sekunder yang meninggalkan jejak cahaya biru saat mereka melakukan perjalanan melalui detektor IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Para ahli teori tidak memiliki masalah dengan ide-ide, termasuk:

  • hypernovae, yang paling superluminous dari semua supernova,
  • semburan sinar gamma,
  • lubang hitam melebar,
  • atau quasar, lubang hitam aktif terbesar di Semesta.

Tetapi perlu bukti untuk memutuskan.

Contoh kejadian neutrino berenergi tinggi yang terdeteksi oleh IceCube: neutrino 4,45 PeV yang menghantam detektor pada tahun 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY of WISCONSIN-MADISON)

IceCube telah melacak dan mengeluarkan rilis dengan setiap neutrino berenergi sangat tinggi yang mereka temukan. Pada 22 September 2017, acara serupa lainnya terlihat: IceCube-170922A. Dalam rilis yang keluar, mereka menyatakan sebagai berikut:

Pada 22 Sep, 2017 IceCube mendeteksi peristiwa seperti trek, sangat berenergi tinggi dengan probabilitas tinggi berasal dari astrofisika. Acara ini diidentifikasi oleh pemilihan acara trek Extremely High Energy (EHE). Detektor IceCube dalam kondisi operasi normal. Peristiwa EHE biasanya memiliki vertex interaksi neutrino yang berada di luar detektor, menghasilkan muon yang melintasi volume detektor, dan memiliki tingkat cahaya yang tinggi (proxy untuk energi).
Sinar kosmik menghujani partikel dengan menyerang proton dan atom di atmosfer, tetapi mereka juga memancarkan cahaya karena radiasi Cherenkov. Dengan mengamati kedua sinar kosmik dari langit dan neutrino yang menghantam Bumi, kita dapat menggunakan kebetulan untuk mengungkap asal-usul keduanya. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Upaya ini menarik tidak hanya untuk neutrino, tetapi untuk sinar kosmik secara umum. Terlepas dari kenyataan bahwa kita telah melihat jutaan sinar kosmik berenergi tinggi selama lebih dari satu abad, kita tidak mengerti dari mana sebagian besar berasal. Ini berlaku untuk proton, nuklei, dan neutrino yang diciptakan baik pada sumbernya maupun melalui kaskade / hujan di atmosfer.

Itu sebabnya menarik bahwa, bersama dengan peringatan, IceCube juga memberikan koordinat untuk tempat neutrino ini seharusnya berasal di langit, pada posisi berikut:

  • RA: 77,43 deg (-0,80 deg / + 1,30 deg 90% penahanan PSF) J2000
  • Desember: 5,72 deg (-0,40 deg / + 0,70 deg 90% penahanan PSF) J2000

Dan itu mengarahkan para pengamat, berusaha melakukan pengamatan lanjutan di seluruh spektrum elektromagnetik, ke objek ini.

Kesan seniman tentang inti galaksi aktif. Lubang hitam supermasif di pusat piringan akresi mengirimkan pancaran materi berenergi tinggi yang sempit ke ruang angkasa, tegak lurus terhadap cakram. Blazar sekitar 4 miliar tahun cahaya adalah asal mula sinar kosmik dan neutrino ini. (DESY, LAB KOMUNIKASI ILMU PENGETAHUAN)

Ini adalah blazar: lubang hitam supermasif yang saat ini dalam keadaan aktif, memakan materi dan mempercepatnya ke kecepatan luar biasa. Blazar seperti quasar, tetapi dengan satu perbedaan penting. Sementara quasar dapat diorientasikan ke segala arah, sebuah blazar akan selalu memiliki salah satu jetnya mengarah langsung ke Bumi. Mereka disebut blazars karena mereka "menyala" tepat pada Anda.

Blazar khusus ini dikenal sebagai TXS 0506 + 056, dan ketika banyak observatorium, termasuk observatorium Fermi NASA dan teleskop MAGIC berbasis darat di Kepulauan Canary, mendeteksi sinar gamma yang datang dari sana segera.

Sekitar 20 observatorium di Bumi dan di luar angkasa melakukan pengamatan lanjutan terhadap lokasi di mana IceCube mengamati neutrino September lalu, yang memungkinkan pengidentifikasian apa yang oleh para ilmuwan dianggap sebagai sumber neutrino energi sangat tinggi dan, dengan demikian, sinar kosmik. Selain neutrino, pengamatan yang dilakukan di seluruh spektrum elektromagnetik termasuk sinar gamma, sinar-X, dan radiasi optik dan radio. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Bukan hanya itu, tetapi ketika neutrino tiba, blazar ditemukan dalam keadaan menyala, sesuai dengan aliran paling aktif yang dialami benda seperti itu. Sejak puncak arus keluar dan pasang surut, para peneliti yang berafiliasi dengan IceCube melewati rekor selama satu dekade sebelum ledakan 22 September 2017, dan mencari peristiwa neutrino yang akan berasal dari posisi TXS 0506 + 056.

Temuan langsung? Neutrino tiba dari objek ini dalam beberapa ledakan, yang berlangsung bertahun-tahun. Dengan menggabungkan pengamatan neutrino dengan yang elektromagnetik, kami telah mampu membuktikan bahwa neutrino berenergi tinggi dihasilkan oleh blazar, dan bahwa kami memiliki kemampuan untuk mendeteksi mereka, bahkan dari jarak yang begitu jauh. TXS 0506 + 056, jika Anda penasaran, terletak sekitar 4 miliar tahun cahaya.

Blazar TXS 0506 + 056 adalah sumber neutrino berenergi tinggi dan sinar kosmik yang teridentifikasi. Ilustrasi ini, berdasarkan pada gambar Orion oleh NASA, menunjukkan lokasi blazar, yang terletak di langit malam tak jauh dari bahu kiri rasi bintang Orion. Sumbernya sekitar 4 miliar tahun cahaya dari Bumi. (ICECUBE / NASA / NSF)

Sejumlah besar dapat dipelajari hanya dari pengamatan multi-messenger ini.

  • Blazars telah terbukti sebagai setidaknya satu sumber sinar kosmik.
  • Untuk menghasilkan neutrino, Anda perlu pion yang membusuk, dan itu diproduksi oleh proton yang dipercepat.
  • Ini memberikan bukti definitif pertama akselerasi proton oleh lubang hitam.
  • Ini juga menunjukkan bahwa blazar TXS 0506 + 056 adalah salah satu sumber paling terang di Semesta.
  • Akhirnya, dari sinar gamma yang menyertainya, kita dapat yakin bahwa neutrino kosmik dan sinar kosmik, setidaknya kadang-kadang, memiliki asal usul yang sama.
Sinar kosmik yang dihasilkan oleh sumber astrofisika berenergi tinggi dapat mencapai permukaan bumi. Ketika sebuah sinar kosmik bertabrakan dengan sebuah partikel di atmosfer Bumi, ia menghasilkan pancaran partikel yang dapat kita deteksi dengan susunan di tanah. Akhirnya, kami menemukan sumber utama mereka. (ASPERA COLLABORATION / ASTROPARTICLE ERANET)

Menurut Frances Halzen, peneliti utama observatorium IceCube neutrino,

Sangat menarik bahwa ada konsensus umum dalam komunitas astrofisika bahwa api tidak mungkin menjadi sumber sinar kosmik, dan di sinilah kita ... Kemampuan untuk menyusun teleskop secara global untuk membuat penemuan menggunakan berbagai panjang gelombang dan ditambah dengan detektor neutrino seperti IceCube menandai tonggak sejarah dalam apa yang oleh para ilmuwan disebut "multi-messenger astronomy."

Era astronomi multi-kurir secara resmi ada di sini, dan sekarang kita memiliki tiga cara yang sepenuhnya independen dan saling melengkapi memandang langit: dengan cahaya, dengan neutrino, dan dengan gelombang gravitasi. Kami telah mempelajari bahwa blazer, yang pernah dianggap sebagai kandidat yang tidak mungkin untuk menghasilkan neutrino berenergi tinggi dan sinar kosmik, sebenarnya menciptakan keduanya.

Ini adalah kesan seorang seniman tentang quasar jauh 3C 279. Jet bipolar adalah fitur yang umum, tetapi sangat tidak biasa untuk jet seperti itu diarahkan langsung ke kami. Ketika itu terjadi, kita memiliki Blazar, yang sekarang dipastikan menjadi sumber sinar kosmik berenergi tinggi dan neutrino berenergi sangat tinggi yang telah kita lihat selama bertahun-tahun. (ESO / M. KORNMESSER)

Bidang ilmiah baru, yaitu astronomi neutrino berenergi tinggi, secara resmi diluncurkan dengan penemuan ini. Neutrino bukan lagi produk sampingan dari interaksi lain, tidak juga keingintahuan kosmik yang nyaris tidak melampaui Tata Surya kita. Sebaliknya, kita dapat menggunakannya sebagai penyelidikan mendasar dari Semesta dan hukum dasar fisika itu sendiri. Salah satu tujuan utama dalam membangun IceCube adalah untuk mengidentifikasi sumber-sumber neutrino kosmik berenergi tinggi. Dengan identifikasi blazar TXS 0506 + 056 sebagai sumber neutrino dan sinar gamma, itulah satu mimpi kosmik yang akhirnya tercapai.

Starts With A Bang sekarang ada di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.