الفلك

كيف يمكن لعلماء الفلك تحديد موقع مصدر النيوترينو بدقة؟

كيف يمكن لعلماء الفلك تحديد موقع مصدر النيوترينو بدقة؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

في الصحافة الشعبية ، في الأشهر الأخيرة ، سمعنا الكثير عن وصول النيوترينوات عالية الطاقة من بعيد خارج نظامنا الشمسي إلى أجهزة الكشف الخاصة بنا ...

لكن انا اتسائل…

إذا كان نيوترينو واحد من مسافة كبيرة بشكل عشوائي ونادرًا ما يضرب ذرة زينون في الكاشف ، فكيف يمكنهم `` تثليث '' اتجاهها؟


تتفاعل نيوترينوات الميون عالية الطاقة أحيانًا وتنتج ميونًا. يجب الحفاظ على الطاقة والزخم في العملية ويتجه الميون في نفس اتجاه النيوترينو.

يمكن بعد ذلك تتبع الميون النسبي من خلال شبكة من أجهزة الكشف التي تكون حساسة لإشعاع سيرينكوف الناتج عندما تنتقل الميونات أسرع من سرعة الضوء في الجليد.

يسمح مسار الميون بقياس حركياته وبالتالي إعادة بناء المكان الذي جاء منه النيوترينو الأصلي. يمكن القيام بذلك في حدود بضع درجات.

هناك دقة زاوية أقل في حالة نيوترينوات الإلكترون عالية الطاقة. يتم إنتاج أي ميونات في تفاعلات ثانوية وهناك "سلسلة" من اللبتونات المشحونة التي يمكن من خلالها إعادة بناء اتجاه تقريبي.


لقد ذكرت بشكل صحيح أن النيوترينوات لا تتفاعل كثيرًا. المعلمة المادية التي تصف هذا هو المقطع العرضي الفعال. إذن ما تلاحظه في الكاشف ليس النيوترينو نفسه ، بل الجسيمات الثانوية ، على سبيل المثال الميون. بالعامية ، يمكنك اعتبار أي شيء ذي كتلة (كثافة) عالية بين مصدر النيوترينو وأداتك (لاكتشاف الجسيمات الثانوية بشكل أساسي) كاشف للنيوترينوات. قد يكون هذا جزءًا كبيرًا من الجليد (مثل تجربة icecube) ، أو سلسلة جبال (كما هو الحال في معمل Gran Sasso) ، أو حتى كوكب كامل ، إذا نشأت النيوترينوات الساقطة من نجم يقع على الجانب الآخر من الأرض عند لحظة المراقبة. هذا الأخير ممكن لأن النيوترينوات على سبيل المثال من الشمس قد يمر عبر الكوكب كله دون التفاعل مع مادته (في الليل للعلماء العاملين في الكاشف).

اسمحوا لي أن أحاول أن أشرح بالرسم الذي أخذته من إدخال مدونة عام 2018 لمصفوفة كاشف الميونات والنيوترينو في أنتاركتيكا (أماندا). النقاط الحمراء على سطح الجليد ، والخطوط العمودية هي الآبار في الدرع الجليدي في أنتاركتيكا والنقاط السوداء الصغيرة هي PMTs ، الأنابيب المضاعفة الضوئية التي تكتشف ضوء Cherenkov الناتج عن بعض الميونات السريعة ، في الصورة أعلى المخروط الأزرق. يتم عرض قراءات PMTs (الكشف عن ضوء Cherenkov) كرمز لوني ، أفترض أن مقياس اللون يرتبط بطريقة ما بالوقت المنقضي منذ حدث المشغل.

فكيف نعرف الآن من أين جاء النيوترينو؟ يمكننا استخدام فيزياء الجسيمات لاشتقاق سرعة الجسيم الثانوي (المتجه) ومن ذلك الذي جاء منه النيوترينو بالفعل. هذا ليس بالأمر الهين ويتطلب قدرًا كبيرًا من طاقة الكمبيوتر ، لكنه ممكن.


كيف يمكن لنيوترينو شبحي واحد أن يغير فهمنا للكون

أمضى علماء الفلك قرنًا من الزمان في البحث عن مصدر الأشعة الكونية ، وهي تيارات من الجسيمات عالية الطاقة والتي تعتبر مفتاحًا لفهم طبيعة الكون. الآن ، بفضل نيوترينو شبحي واحد ، نجحوا أخيرًا.

النيوترينو المعني صغير جدًا لدرجة أن الأمر سيستغرق أكثر من 10 مليارات منه ليساوي كتلة البروتون. لكنها صنعت التاريخ من خلال ضرب شبكة من أجهزة الاستشعار المدفونة في أعماق جليد أنتاركتيكا.

كانت نهاية ميمونة لرحلة بدأت على بعد 4 مليارات سنة ضوئية. من خلال تحليل الأضرار الجانبية الناجمة عن الاصطدام ، تتبع العلماء أصل النيوترينو إلى نجم كوازار قوي يُعرف بالبلازار بعيدًا عن مجرتنا - وأطلقوا حقبة جديدة من علم فلك النيوترينو.

قال فرانسيس هالزن ، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة ويسكونسن ماديسون والباحث الرئيسي في IceCube ، المرصد المجمد الذي صنع الاكتشاف الموصوف يوم الخميس في مجلة العلوم.

تم إجراء الملاحظات المبكرة لعلماء الفلك عن الكون من خلال مراقبة الضوء المرئي ، والذي يمكنهم رؤيته مباشرة. ثم وسعوا بحثهم ليشمل أجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي ، مثل موجات الراديو ، والميكروويف ، والأشعة السينية وأشعة جاما. سمح لهم ذلك بالعثور على الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية وإشعاع الخلفية الكونية الميكروي الذي هو من بقايا الانفجار العظيم.

في الآونة الأخيرة ، نظر العلماء إلى ما وراء طيف الضوء تمامًا. مكّن اكتشاف موجات الجاذبية من التنصت على بعض أكثر الأحداث كارثية في الكون ، بما في ذلك اندماجات الثقوب السوداء. يمكن أن تساعد موجات الجاذبية العلماء على فهم المادة المظلمة ، وهي الأشياء الغامضة التي تهيمن على الكون ولكن لا يمكن رؤيتها أو لمسها.

سيضيف علماء الفلك الآن علم فلك النيوترينو إلى مجموعة أدواتهم.

قال ألكسندر كوسينكو ، عالم الفيزياء الفلكية للجسيمات في جامعة كاليفورنيا ، والذي لم يشارك في العمل: "في رأيي ، هذا مهم مثل الخطوات الأولى في علم الفلك بالأشعة السينية ، التي مُنحت جائزة نوبل".

تعتبر النيوترينوات ذات قيمة لعلماء الفلك لأنها بالكاد تتفاعل مع المادة. هذا يعني أنه يمكنهم المرور عبر الكواكب والنجوم وحتى المجرات بأكملها.

على الرغم من صغر حجمها ، إلا أنها وفيرة أيضًا. يمر العديد من المليارات من هذه الجسيمات دون الذرية عبر أطراف أصابعك كل ثانية.

على الرغم من طبيعتها المراوغة بطبيعتها ، يبحث علماء الفلك عن النيوترينوات على أمل أن تساعد في حل لغز أصول الأشعة الكونية التي تقصف الأرض من الفضاء.

الأشعة الكونية عبارة عن جسيمات مشحونة عالية الطاقة ، معظمها من البروتونات ، تم تسريعها لتصل إلى طاقات هائلة وتناثرت عبر الكون. يمكن أن تصل هذه الجسيمات إلى الأرض بمئات التريليونات من الإلكترون فولت - مما يقزم 6.5 تريليون إلكترون فولت من البروتونات التي تدور عبر مصادم الهدرونات الكبير في أوروبا. سوف يتطلب الأمر محركًا كونيًا قويًا - على سبيل المثال ، ثقب أسود هائل في قلب مجرة ​​، أو سوبر نوفا هائلًا - لتسريع هذه الأجزاء الذرية إلى مثل هذه الطاقات العالية.

لكن حتى الآن ، لم يعرف العلماء على وجه اليقين من أين أتت هذه الأشعة الكونية. ذلك لأنه عندما تسافر هذه الجسيمات مسافات بين المجرات ، فإن مساراتها مشوهة بالمجالات المغناطيسية التي تتخلل الفضاء - مما يعني أنه بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الأرض ، فإنها لم تعد تشير إلى مصدرها مرة أخرى.

تقدم النيوترينوات حلاً لهذه المشكلة لأن هذه الجسيمات المحايدة لا تتأثر بالمجالات المغناطيسية. بحلول الوقت الذي يصلون فيه إلى الأرض ، لا يزالون يشيرون إلى طريقهم إلى المنزل. علاوة على ذلك ، فإن أنواع القوى الكونية القوية التي من شأنها أن تولد أشعة كونية عالية الطاقة ستنتج أيضًا سيلًا من النيوترينوات عالية الطاقة.

لكن الجودة ذاتها التي تجعل هذه الجسيمات الشبحية مفيدة للغاية - حقيقة أنها لا تتفاعل مع المادة - تجعل من الصعب للغاية على العلماء اكتشافها أثناء عملها. قال هالزن إنه مقابل كل إصابة فردية لنيوترينو عالي الطاقة ، يمر ما يقرب من 10000 أو 100000 مرة دون أن يصاب بأذى.

انطلق تعاون IceCube لاكتشاف ضربة نيوترينو نادرة وفريدة من نوعها. يتألف IceCube من أكثر من 5000 جهاز استشعار مدمج في كيلومتر مكعب من الجليد الموجود في أعماق سطح القطب الجنوبي ، ويلتقط ومضات الضوء الأزرق التي تسببها الجسيمات الثانوية بعد اتصال النيوترينو. يمكن للعلماء تحليل مسار الضوء الناتج لمعرفة الاتجاه الذي أتى منه الجسيم ومدى نشاطه عندما اصطدم.

رسم متحرك لرحلة جوية من مدار الأرض إلى كاشف IceCube في أنتاركتيكا ، بما في ذلك محاكاة حدث نيوترينو. (الائتمان: DESY، Science Communication Lab)

في عام 2013 ، أعلن التعاون أنه اكتشف 28 نيوترينوات عالية الطاقة نشأت من الفضاء السحيق ، لكن المجموعة لم تكن قادرة على تحديد مصدر أي منها بالضبط.

بعد ذلك ، في 22 سبتمبر 2017 ، التقط العلماء نيوترينوًا نشطًا نشأ بوضوح بعيدًا عن جوارنا بين النجوم.

في غضون 60 ثانية ، وصلت الأخبار إلى مجموعة من المراصد الأخرى ، بما في ذلك تلسكوبات أشعة جاما والأشعة تحت الحمراء والراديو والأشعة السينية. استداروا نحو المصدر الظاهر والتقطوا إشارة ضوئية بأطوال موجية عبر الطيف الكهرومغناطيسي.

كان الضوء قادمًا من بليزار يُدعى TXS 0506 + 056 ، يقع أسفل ذراع كوكبة الجبار. هذا النجم عبارة عن مجرة ​​إهليلجية عملاقة بها ثقب أسود دوار في مركزها يلتهم المواد ويطلق شعاعين ضوئيين مزدوجين على جانبي قرصها. في هذه الحالة ، يتم توجيه أحد هذه الأشعة مباشرة إلى الأرض ، مثل مصباح يدوي.

رسم متحرك للحلقة المركزية للغاز والغبار ، يُعتقد أنه يحيط بالثقب الأسود الهائل لمجرة نشطة. هذا هو أصل بلازار. (الائتمان: DESY، Science Communication Lab)

ومع ذلك ، كان هناك احتمال ضئيل - حوالي 1 من 1000 - أن أصل النيوترينو الواضح وإشارة Blazar كانا مجرد مصادفة. لذلك عاد الباحثون إلى الأرشيف بحثًا عن قياسات النيوترينو السابقة التي يمكن أن تأتي أيضًا من اتجاه بلازار.

من المؤكد أن الباحثين وجدوا أكثر من عشرة نيوترينوات من سبتمبر 2014 إلى مارس 2015 يبدو أنها قادمة من اتجاه الانفجار. تم نشر هذه النتائج في ورقة ثانية في Science.

قال كوسينكو إن اكتشافات النيوترينو هذه يمكن أن تساعد علماء الفلك على فهم أفضل للآليات الداخلية لهذه الأحداث الكونية.

وقال هالزن إنه قد يسمح أيضًا للعلماء برؤية الأحداث القديمة في ضوء جديد.

قال هالزن: "نحن لا نشاهد عاصفة الفانيليا التي يراها علماء الفلك". "أعتقد أنه في النهاية سيكون هناك العديد من المفاجآت حول هذا المصدر. . لن يكون العمل كالمعتاد ".

وأشار إلى أن الأمر يتطلب مصدرًا قويًا للغاية لدفع هذه الجسيمات إلى مثل هذه الطاقات العالية ثم إرسالها عبر ما يقرب من 4 مليارات سنة ضوئية.

قال هالزن: "لذلك هناك شيء مميز حول هذا المصدر" - شيء خاص لم يكن واضحًا من ملف الضوء الخاص بالبلازار والذي سيتطلب مزيدًا من الدراسة لفهمه.

وأضاف أن علم فلك النيوترينو يكشف بالفعل عن أحداث غير عادية أمام أعين العلماء.


دفع حدود الاكتشاف

سواء كانت نيوترينوات أو فوتونات عالية الطاقة أو موجات جاذبية ، فقد وسعت الرسل الكونيون مساحة الاكتشاف المتاحة لعلم الفلك من خلال استكشاف البيئات الفيزيائية الفلكية التي كان يتعذر الوصول إليها سابقًا.

إن النيوترينو ، وهو جسيم أولي بعيد المنال له كتلة سكون صغيرة جدًا بحيث يمكن اعتباره صفرًا بشكل فعال ، هو المرسل المثالي من بعيد. نظرًا لأنها تتفاعل مع المادة فقط من خلال التفاعل الضعيف والجاذبية (الضعيفة أيضًا ، نظرًا لكتلتها الصغيرة المتلاشية) ، فإن النيوترينوات قادرة على الهروب من معظم البيئات سالمة وغير متغيرة ، وبالتالي تقديم معلومات أصلية عن عدد من العمليات الفيزيائية (الفلكية). هذه هي النظرية بالطبع ، لأنه من الناحية العملية وبسبب مراوغتها بالتحديد ، فإن اكتشاف هذه النيوترينوات ليس بالأمر السهل.

في حين أن الاكتشاف المباشر لنيوترينو (من صنع الإنسان) من خلال عملية التقاط بيتا حدث في عام 1956 ، لم يتم اكتشاف أول نيوترينوات خارج الأرض من الشمس حتى عام 1968 من خلال تجربة Homestake ، مما يمثل بداية علم فلك النيوترينو. مر عقدين آخرين قبل أن يؤدي انفجار مستعر أعظم في سحابة ماجلان الكبيرة المجاورة إلى اكتشاف نيوترينوات من أماكن بعيدة في جوارنا الكوني. قام كاشف النيوترينو Kamiokande-II بقياس أحد عشر نيوترينوًا من المستعر الأعظم SN 1987A في فبراير 1987. هذا الاكتشاف ، الذي أدى جنبًا إلى جنب مع اكتشاف النيوترينوات الشمسية إلى الحصول على جائزة نوبل لماساتوشي كوشيبا وريموند ديفيس جونيور ، مما أدى إلى تعزيز مجال علم فلك النيوترينو.

تقدم سريعًا إلى اليوم والحقل في ازدهار كامل. توجد الآن العديد من تجارب النيوترينو حول العالم. سواء باستخدام الثلج أو الماء أو الماء الثقيل أو حتى الكلور ، فإن مبدأ جميع أجهزة الكشف عن النيوترينو هو نفسه: ضع حجمًا كبيرًا بما يكفي من وسيط متجانس في مسار النيوترينوات ولا بد أن يتفاعل أحدها. أكثر الكاشفات حساسية وعالية الدقة قيد التشغيل حاليًا ، مرصد IceCube Neutrino في أنتاركتيكا ، يكتشف النيوترينوات الكونية منذ أوائل عام 2010.

على الرغم من الاكتشافات الروتينية للنيوترينوات الكونية ، فإن فهم ودراسة أصولها لم يكن سهلاً. علاوة على القضايا الأساسية للغاية المتعلقة بفصل الإشارة عن الضوضاء ، والنيوترينوات الشمسية عن النيوترينوات الكونية الأخرى ، فإن التوطين الزاوي الضعيف لكاشفات النيوترينو (في أحسن الأحوال)

0.7 درجة لأعلى طاقات لـ IceCube) يجعل من الصعب للغاية تحديد الاتجاه في السماء الذي يأتي منه حدث معين. في عام 2017 ، كانت مصادفة حدث النيوترينو مع اشتعال النيران خطوة كبيرة إلى الأمام. وأكدت أن نوى المجرة النشطة هي مسرعات جسيمات قوية وواحدة من مصادر النيوترينوات الكونية عالية الطاقة (انظر أخبار Elena Pian و amp Views).

في هذا العدد من علم الفلك الطبيعيأفاد روبرت شتاين وزملاؤه عن ارتباط حدث نيوترينو عالي الطاقة بنوع مختلف من المصدر الفيزيائي الفلكي: حدث اضطراب المد والجزر ، عندما ينفصل النجم عن بعضه أثناء انصراعه نحو ثقب أسود فائق الكتلة. في ورقة مصاحبة ، قدم والتر وينتر وسيسيليا لونارديني نموذجًا فيزيائيًا فلكيًا يشرح الملاحظات. أما بالنسبة لاتحاد blazar السابق ، فإن المعلومات الإضافية التي يحملها حدث النيوترينو المكتشف IceCube توفر رؤى قيمة حول أحداث اضطراب المد والجزر (انظر المناقشة التي أجراها Kimitake Hayasaki).

ليست النيوترينوات هي الأداة الوحيدة المستخدمة حاليًا لدفع حدود اكتشاف الفيزياء الفلكية. تتمتع الفيزياء الفلكية عالية الطاقة أيضًا بعصر إنتاجي ، مع وجود العديد من المرافق الآن على الإنترنت للتحقيق في هذا الجزء الذي لم يتم استكشافه حتى الآن من الطيف الكهرومغناطيسي. أدى اكتشاف سديم السرطان في أشعة جاما عالية الطاقة بواسطة تلسكوب ويبل في عام 1989 إلى عدد من التجارب المتزامنة واللاحقة (بما في ذلك HESS و MAGIC و VERITAS) التي تسعى إلى توسيع فهمنا للطاقة العالية جدًا سماء أشعة جاما.

في هذا العدد ، ننشر مجموعتين جديدتين من الملاحظات تدفعان حدود علم فلك أشعة غاما عالي الطاقة في نطاق TeV. أبلغ مرصد Cherenkov المائي عالي الارتفاع ومجموعة الدش الهوائية في التبت عن اكتشاف شرنقة Cygnus وبقايا المستعر الأعظم G106.3 + 2.7 ، على التوالي. تقيد كلتا الدراستين العمليات الفيزيائية الفلكية التي تؤدي إلى تسريع جسيمات الأشعة الكونية إلى طاقات PeV في بيئتين مختلفتين وغير متوقعة من البيئات الفيزيائية الفلكية.

هناك أوجه تشابه مثيرة للاهتمام بين النيوترينو وعلم فلك أشعة جاما عالي الطاقة. كلاهما يسبران العمليات الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة التي قد تكون مخفية عن الملاحظات الفلكية التقليدية. علاوة على ذلك ، نظرًا للتحديات المرتبطة بالتقنية المطلوبة لاكتشافهما ، فقد دخل كلا المجسّين مؤخرًا فقط حقبة من الاكتشافات الموثوقة لأحداث متعددة. في حين أن علم فلك أشعة غاما عالي الطاقة قد يكون له بداية قوية - فهو بعد كل شيء امتداد للطيف الكهرومغناطيسي ، الذي يدرسه علماء الفلك لفترة طويلة جدًا - من المقرر أن ينمو كلا المجالين بشكل كبير خلال السنوات القادمة. سيكون الإنجاز التالي لعلم فلك أشعة غاما عالي الطاقة هو تشغيل مصفوفة تلسكوب Cherenkov (من المتوقع أن تبدأ العمليات الأولى في العام المقبل) ، والتي ستوفر حساسية غير مسبوقة وقدرات توطين تصل إلى طاقات تصل إلى 300 إلكترون فولت وستتناول عددًا للأسئلة الفيزيائية والفيزياء الفلكية الأساسية (انظر تقرير الاجتماع من ندوة مصفوفة تلسكوب شيرينكوف الأولى في عام 2019). فيما يتعلق بالنيوترينوات ، بالإضافة إلى ترقية قدرات IceCube ، تم التخطيط للعديد من أجهزة الكشف عن النيوترينو من الجيل التالي (بما في ذلك KM3NeT وتجربة المحيط الهادئ النيوترينو).

تتزايد ترسانة المراقبة الخاصة بعلماء الفلك وكل طريقة إضافية للنظر إلى سماء الليل تؤدي إلى توسيع مساحة الاكتشاف ، وفهم أعمق للظواهر الفيزيائية الفلكية المدروسة منذ فترة طويلة وفي بعض الحالات اكتشاف ظواهر جديدة تمامًا. الأكثر إثارة للإعجاب ، بالنسبة لكل من النيوترينوات وأشعة جاما عالية الطاقة ، أن هذه المسابير الرصدية تمتد عبر التقسيم (الغامض) بين الفيزياء والفيزياء الفلكية. يجب أن تحفز إمكانات التلقيح المتبادل والاكتشافات المصادفة كلا المجتمعين على الاستمرار في دفع هذه الحدود إلى أبعد من ذلك.


يعطي VLA أدلة محيرة حول مصدر طاقة نيوترينو كونية

ساعد جسيم شبحي دون ذري سافر حوالي 4 مليارات سنة ضوئية قبل وصوله إلى الأرض علماء الفلك في تحديد مصدر محتمل للأشعة الكونية عالية الطاقة لأول مرة. أعطت الملاحظات اللاحقة مع مصفوفة Karl G. Jansky الكبيرة جدًا (VLA) التابعة لمؤسسة العلوم الوطنية (NSF) العلماء بعض الأدلة المحيرة حول كيفية تشكل هذه الأشعة الكونية النشطة في قلب المجرات البعيدة.

في 22 سبتمبر 2017 ، سجل مرصد يسمى IceCube ، يتكون من أجهزة استشعار موزعة عبر كيلومتر مربع من الجليد تحت القطب الجنوبي ، تأثيرات نيوترينو عالي الطاقة قادم من أبعد من مجرتنا درب التبانة. النيوترينوات هي جسيمات دون ذرية بدون شحنة كهربائية وكتلة قليلة جدًا. نظرًا لأنها نادرًا ما تتفاعل مع المادة العادية ، يمكن للنيوترينوات السفر دون عوائق لمسافات طويلة عبر الفضاء.

سرعان ما أظهرت ملاحظات المتابعة باستخدام التلسكوبات المدارية والأرضية من جميع أنحاء العالم أن النيوترينو من المحتمل أن يكون قادمًا من موقع جسم كوني معروف - وهو بلازار يسمى TXS 0506 + 056 ، على بعد حوالي 4 مليارات سنة ضوئية من الأرض. مثل معظم المجرات ، تحتوي البلازارات على ثقوب سوداء فائقة الكتلة في نواتها. تجذب الجاذبية القوية للثقب الأسود المواد التي تشكل قرصًا دوارًا ساخنًا. تُقذف نفاثات من الجسيمات التي تسافر بسرعة الضوء تقريبًا بشكل عمودي على القرص. Blazars هي فئة خاصة من المجرات ، لأنه في حالة blazar ، يتم توجيه إحدى الطائرات بشكل مباشر تقريبًا إلى الأرض.

اقترح المنظرون أن هذه النفاثات القوية يمكن أن تسرع بشكل كبير البروتونات أو الإلكترونات أو النوى الذرية ، وتحولها إلى أكثر الجسيمات نشاطًا المعروفة في الكون ، والتي تسمى الأشعة الكونية فائقة الطاقة. يمكن أن تتفاعل الأشعة الكونية بعد ذلك مع المواد القريبة من الطائرة وتنتج فوتونات عالية الطاقة ونيوترينوات ، مثل النيوترينو الذي اكتشفه IceCube.

تم اكتشاف الأشعة الكونية في عام 1912 من قبل الفيزيائي فيكتور هيس ، الذي حمل أدوات في رحلة بالون. أظهر البحث اللاحق أن الأشعة الكونية هي إما بروتونات أو إلكترونات أو نوى ذرية تم تسريعها إلى سرعات تقترب من الضوء ، مما يمنح بعضها طاقات أكبر بكثير من تلك الموجودة في الموجات الكهرومغناطيسية الأكثر نشاطًا. بالإضافة إلى النوى النشطة للمجرات ، فإن انفجارات المستعر الأعظم هي مواقع محتملة تتشكل فيها الأشعة الكونية. ومع ذلك ، كانت محركات الثقب الأسود في المجرة هي المرشح الرئيسي لمصدر الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية ، وبالتالي النيوترينوات عالية الطاقة الناتجة عن تفاعلاتها مع المادة الأخرى.

قال جريجوري سيفاكوف Gregory Sivakoff: "إن تتبع النيوترينو عالي الطاقة الذي اكتشفه IceCube إلى TXS 0506 + 056 يجعل هذه المرة الأولى التي نتمكن فيها من تحديد جسم معين كمصدر محتمل لمثل هذا النيوترينو عالي الطاقة". جامعة ألبرتا في كندا.

بعد اكتشاف IceCube ، نظر علماء الفلك إلى TXS 0506 + 056 بالعديد من التلسكوبات ووجدوا أنه قد سطع بأطوال موجية بما في ذلك أشعة جاما والأشعة السينية والضوء المرئي. تمت ملاحظة الانفجار مع VLA ست مرات بين 5 أكتوبر و 21 نوفمبر 2017.

وقال سيفاكوف: "تُظهر بيانات VLA أن انبعاث الراديو من هذا البلازار كان متفاوتًا بشكل كبير في وقت اكتشاف النيوترينو ولمدة شهرين بعد ذلك. كما أن التردد اللاسلكي مع انبعاث الراديو الأكثر سطوعًا كان يتغير أيضًا".

تمت مراقبة TXS 0506 + 056 على مدار عدد من السنوات باستخدام NSF's Long Baseline Array (VLBA) ، وهو نظام تلسكوب لاسلكي على مستوى القارة ينتج صورًا مفصلة للغاية. أظهرت صور VLBA عالية الدقة عقدًا ساطعة من انبعاث الراديو تنتقل إلى الخارج داخل الطائرات بسرعات تقارب سرعة الضوء. من المفترض أن تكون العقدة ناتجة عن مادة أكثر كثافة تقذف بشكل متقطع عبر النفاثة.

"السلوك الذي رأيناه مع VLA يتوافق مع انبعاث واحدة على الأقل من هذه العقد. إنه احتمال مثير للاهتمام أن مثل هذه العقد قد تكون مرتبطة بتوليد أشعة كونية عالية الطاقة وبالتالي نوع النيوترينو عالي الطاقة الذي وجده IceCube قال سيفاكوف.

يواصل العلماء دراسة TXS 0506 + 056. وخلص سيفاكوف إلى أن "هناك الكثير من الظواهر المثيرة التي تحدث في هذا الجسم".

قالت مديرة مؤسسة العلوم الوطنية ، فرنسا كوردوفا ، "لقد حان عصر الفيزياء الفلكية متعددة الرسائل". "يمنحنا كل رسول - من الإشعاع الكهرومغناطيسي وموجات الجاذبية والآن النيوترينوات - فهمًا أكثر اكتمالاً للكون ورؤى جديدة مهمة حول أقوى الأشياء والأحداث في السماء. هذه الاختراقات ممكنة فقط من خلال التزام طويل الأجل بالبحوث الأساسية والاستثمار في مرافق البحث الرائعة ".

يقوم Sivakoff والعديد من الزملاء من المؤسسات حول العالم بالإبلاغ عن النتائج التي توصلوا إليها في المجلة علم.

المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي هو مرفق تابع لمؤسسة العلوم الوطنية ، ويتم تشغيله بموجب اتفاقية تعاونية من قبل Associated Universities، Inc.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة على EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


بعد ما يقرب من قرن من الزمان ، شوهدت نيوترينوات CNO المراوغة أخيرًا من الشمس

لأول مرة ، اكتشف العلماء النيوترينوات القادمة من لب الشمس والتي بدأت من خلال عملية CNO ، وهي نوع من الاندماج النووي النجمي حتى الآن.

هذا رائع حقًا ، لكن سيتطلب القليل من الشرح.

المزيد من علم الفلك السيئ

النيوترينوات هي جسيمات دون ذرية. على عكس تلك التي تعرفها أكثر مثل البروتونات والإلكترونات ، ليس للنيوترينوات شحنة ولها كتلة منخفضة جدًا ، حقا لا تحب التفاعل مع المادة العادية. يمكن للنيوترينو أن يمر عبر الأرض كما لو لم يكن هناك.

يمكن للعديد من التفاعلات دون الذرية المختلفة أن تصنع النيوترينوات ، بما في ذلك أنواع مختلفة من الاندماج النووي. أكبر مصدر من حولنا هو الشمس ، لأنها تدمج الهيدروجين في الهيليوم في قلبها ، مما يجعل شيئًا مثل 10 25 نيوترينوات (10،000،000،000،000،000،000،000) كل ثانيا. يطلقون النار في جميع الاتجاهات ، وبحلول الوقت الذي يصلون فيه إلى الأرض ، يمر حوالي 60 مليارًا من كل سنتيمتر مربع. انظر إلى الصورة المصغرة الخاصة بك. فقاعة. مر حوالي مائة مليار نيوترينوات من خلاله أثناء قراءة هذه الجملة.

رسم تخطيطي مقطوع للشمس يظهر طبقات وميزات مختلفة. يتم إنشاء النيوترينوات في المركز وتطير بسهولة ، على الرغم من وجود 700000 كيلومتر من الشمس فوق القلب. الائتمان: ناسا سبيس بليس

نعتقد أن هناك نوعين من الاندماج يحدث في الشمس. 99٪ منه من ما يسمى بسلسلة البروتون-البروتون. إنها تنطوي على عدة خطوات ، ولكن في النهاية تندمج أربع نوى هيدروجين (حقًا ، مجرد بروتونات) لتكوين نواة هيليوم واحدة ، وفي هذه العملية تطلق النيوترينوات والكثير من الطاقة - طاقة كافية ، في الواقع ، لتشغيل نجم.

1٪ الأخرى من الاندماج من دورة CNO ، أو دورة الكربون - النيتروجين - الأكسجين. يتطلب الأمر أيضًا مجموعة من الخطوات ، ولكنه يتضمن تلك العناصر الثلاثة في العملية ، وفي النهاية يفعل الشيء نفسه: أربعة بروتونات تندمج لتصبح هيليوم ، والذي يطلق أيضًا الطاقة ويرسل مجموعة من النيوترينوات في طريقها.

دورة CNO. بدءًا من القمة وانطلاقًا في اتجاه عقارب الساعة ، يندمج الكربون مع البروتون ليشكل نظيرًا من النيتروجين ، والذي يتحلل إلى نظير مختلف من الكربون ، والذي يندمج مع البروتون ليشكل نظيرًا آخر من النيتروجين ، والذي يندمج مع البروتون لتكوين الأكسجين ، الذي يتحلل إلى نظير ثالث من النيتروجين ، والذي يندمج مع البروتون ليشكل الهيليوم والكربون ، ونذهب بعيدًا مرة أخرى. على طول الطريق ، يتم إنشاء النيوترينوات (الحرف اليوناني nu) والطاقة على شكل أشعة جاما. الائتمان: Borb / ويكيبيديا

تحول الشمس حوالي 700 مليون طن من الهيدروجين إلى 695 مليون طن من الهيليوم كل ثانية ، حيث تتحول الكتلة المتبقية إلى طاقة وتضيء الشمس. هذا كثير من الاندماج ، ولهذا السبب تصنع الشمس الكثير من النيوترينوات. بمجرد إنشائها ، تطير من الشمس بسرعة تقارب سرعة الضوء.

يأتي البعض إلى الأرض. يمر معظمهم من خلالنا لأنهم ، مرة أخرى ، لا يحبون التفاعل مع المادة.

هذا يجعل من الصعب جدًا اكتشافها ، ولكن هناك طرقًا. على سبيل المثال ، إذا حدث أن اصطدم نيوترينو بجزيء من 1،2،4-تريميثيل بنزين - يسمى أيضًا pseudocumene ، وهو جزيء قائم على الكربون على شكل حلقة - فإنه سيطلق إلكترونًا ، وبعد ذلك يقوم ببعض الفيزياء ، فوتون من الضوء ينبعث منها. لذلك إذا كان لديك خزان مليء بهذه الأشياء ، وقمت بإحاطته بكاشفات ضوئية حساسة للغاية ، فيمكن تسجيل الوميض العرضي من حدث النيوترينو.

الأمر ليس بهذه السهولة بالطبع. سيتفاعل عدد قليل جدًا من النيوترينوات مع الكاذب الكاذب. لذلك أنت بحاجة إلى خزان كبير ، وتحتاج إلى بنائه تحت الأرض لأن الأشعة الكونية التي تضرب غلافنا الجوي تخلق الميونات التي يمكنها أيضا قم بإنشاء ومضات تتداخل مع نتائجك ، وتحتاج إلى إحاطة الخزان بخزان أكبر من الماء لامتصاص الميونات التي لا تزال تمر من خلاله.

رسم تخطيطي لكاشف بوركسينو النيوترينو الموجود تحت الأرض في إيطاليا. الائتمان: Agostini et al.

سيل ، هذا بالضبط ما فعله تعاون دولي من العلماء. يقع مرصد بوركسينو للنيوترينو على بعد 1400 متر تحت الصخور تحت جبل غران ساسو في إيطاليا. يحتوي على بالون نايلون بعرض 8.5 متر مملوء بـ 280 طنًا من البيزودوكومين ، محاط بخزان من الماء ، محاط بأكثر من 2200 كاشف للفوتون شديد الحساسية.

قاموا بتشغيل كل شيء ، ثم انتظروا. خلال الفترة من يوليو 2016 إلى فبراير 2020 (1072 يومًا) ، سجلوا جميع الأحداث بشق الأنفس ، واضطروا إلى بذل جهود بطولية لمنع جميع أساليب التفاعلات الأخرى التي تخلق أيضًا ومضات ضوئية صغيرة من التداخل مع تجربتهم. كان عليهم أيضًا تمييز سلسلة نيوترينوات البروتون والبروتون عن تلك المصنوعة في دورة CNO ، لكن النيوترينوات لها طاقات مختلفة ، مما يجعل من الممكن فصلها عن بعضها.

لقد أعلنوا للتو نتائجهم: لقد اكتشفوا نيوترينوات CNO! تفاعل حوالي 20 يوميًا مع الكاذب الكاذب - 20 يوميًا ، عندما مرت ستة منها! - حول ما تتوقعه من الناحية النظرية.

في الواقع ، من المهم أن نعرف أنه حتى الآن ، لم يكن لدينا سوى نظرية تخبرنا أن دورة CNO كانت تحدث. لا توجد طريقة للحصول على قياسات مباشرة لنواة الشمس ، مدفونة تحت مئات الآلاف من الكيلومترات ، حسنًا ، شمس... إلا من خلال النيوترينوات. تم وضع نظرية دورة CNO لأول مرة في ثلاثينيات القرن الماضي ، واستغرق الأمر وقتًا طويلاً لاكتشافها في النهاية.

صورة لكاشف Borexino ، وهو عبارة عن خزان مياه خارجي مغطى بالعزل. تم تضمين الإنسان للمقياس. الائتمان: Agostini et al.

هناك بعض عدم اليقين في القياسات ، لكنهم وجدوا أنه يمكنهم استبعاد أن هذه النيوترينوات ليست من دورة CNO بنسبة يقين تصل إلى 99٪. بمعنى آخر ، من المستبعد جدًا أن يكونوا من أي شيء آخر.

هذا اكتشاف مهم للعديد من الأسباب. لسبب واحد ، بينما تهيمن سلسلة البروتون-البروتون في الشمس ، تهيمن دورة CNO في النجوم التي تزيد كتلتها عن 1.3 ضعف كتلة الشمس (تنطلق بقوة في درجات حرارة أعلى) ، لذا فإن معرفة كيفية عملها في الشمس يخبرنا حول النجوم الأخرى.

أيضا ، وجود عناصر أثقل (ما يسميه علماء الفلك بشكل مضلل المعادن، مما يعني أن أي عنصر أثقل من الهيدروجين والهيليوم) يمكن أن يؤثر على معدل الاندماج في دورة CNO للشمس ، وكمية هذه المعادن ليست معروفة تمامًا بطرق مختلفة لقياسها تنتج كميات مختلفة قليلاً ، ولكنها كافية لإفساد ما نحن عليه تعرف على الاندماج في اللب. تتفق هذه التجربة مع تلك التي تجد محتوى معدنيًا أقل. هذا له تأثير مضاعف على الكثير من الأفكار الأخرى ، بما في ذلك تفاصيل حول كيفية تفكيرنا في تشكل الشمس والكواكب ، وكيف تتقدم الشمس في العمر ، وكيف ستموت.

كل ذلك ، من أقل من عشرين نيوترينوات يوميًا ، بينما لا يتم اكتشاف عدد لا يحصى من النيوترينات. لا يتوقف الأمر عن دهشتي أبدًا إلى أي مدى يمكن أن نكون نحن البشر أذكياء ، وقادرون على اكتشاف طريقة لرؤية غير المرئي ، وأخذ عينات من الكون حرفيًا أثناء مروره من خلالنا.


تم اكتشاف "جسيم شبح" من النيوترينو في القارة القطبية الجنوبية يؤدي إلى إنجاز هائل في علم الفلك

تم اكتشافه في أعماق الجليد ، وتتبع العلماء الجسيم إلى مجرة ​​متقلبة في إنجاز يهدف إلى تحسين معرفتنا بالفيزياء الأساسية.

اكتشف مصدر النيوترينو.

اكتشف مصدر النيوترينو

الملاحظات المتعددة للبلازار TXS 0506 + 056. المصدر: مزود

في إنجاز غير مسبوق يقول الخبراء إنه سوف يفتح حقبة جديدة من علم الفلك ، تمكن العلماء من تتبع أصول جسيم شبحي دون ذري سافر ما يقرب من 4 مليارات سنة ضوئية إلى الأرض.

تم اكتشاف الجسيم عالي الطاقة بشكل لا يصدق ، والذي يُطلق عليه النيوترينو ولكن غالبًا ما يشار إليه باسم & # x201Cghost الجسيم & # x201D نظرًا لصغر حجمه وصعوبة ملاحظته ، في 22 سبتمبر من العام الماضي بواسطة مرصد IceCube. تقع المنشأة البعيدة في القارة القطبية الجنوبية ولديها أجهزة استشعار عملاقة تقع على بعد أكثر من كيلومتر تحت جليد القطب الجنوبي.

مرصد IceCube Neutrino ، بالقرب من القطب الجنوبي ، تحت النجوم. الصورة: فيليبي بدريروس المصدر: مزود

بالنسبة للعلماء ، يمكن للنيوترينوات أن تعمل مثل رسل من الإشعاع الكوني البعيد. يسافرون بسرعة الضوء تقريبًا ، ويمكنهم الهروب من أكثر البيئات كثافة مثل الثقوب السوداء ويمكن إرجاعهم إلى مصدرهم الأصلي.

على الرغم من حقيقة أن التريليونات تتدفق عبر جسمك كل ثانية ، إلا أنها لا تحتوي على شحنة كهربائية وبالتالي نادراً ما تتفاعل مع محيطها مما يجعل العثور عليها أمرًا صعبًا حقًا.

اكتشف مرفق أنتاركتيكا النيوترينو أثناء تفاعل نادر مع ذرة تحت الجليد. تمكن العلماء من تتبعه إلى مجرة ​​بها ثقب أسود فائق الكتلة وسريع الدوران في مركزها ، يُعرف باسم Blazar.

يعتقد العلماء أنه عندما كانت الشمس أكثر قتامة وكانت الأرض لا تزال في طور التكوين ، انبعث الضوء من النيوترينوات وأشعة جاما باتجاه القطب الجنوبي لكوكبنا. والآن تمكنا من تعقب أحدهم مرة أخرى.

Blazars هي نوع من المجرات النشطة. في هذا العرض الفني ، ينبعث Blazar كلاً من النيوترينوات وأشعة جاما التي يمكن اكتشافها بواسطة مرصد IceCube Neutrino وكذلك بواسطة تلسكوبات أخرى على الأرض وفي الفضاء. الصورة: IceCube / NASA المصدر: مزود

شارك في الإنجاز فريق من أكثر من 1000 باحث وتم نشره اليوم في المجلة علم.

It heralds the arrival of a new era of astronomy in which researchers can learn about the universe using neutrinos as well as ordinary light, واشنطن بوست ذكرت.

𠇋lazars may indeed be one of the long-sought sources of very-high-energy cosmic rays, and hence responsible for a sizeable fraction of the cosmic neutrino flux observed by IceCube,” researchers wrote.

The application of the breakthrough has scientists excited about the potential to improve our understanding of the early universe and fundamental physics.

“This identification launches the new field of high-energy neutrino astronomy, which we expect will yield exciting breakthroughs in our understanding of the universe and fundamental physics, including how and where these ultra-high-energy particles are produced,” Doug Cowen, a founding member of the IceCube collaboration and professor of physics, astronomy and astrophysics, said in a statement.

𠇏or 20 years, one of our dreams as a collaboration was to identify the sources of high-energy cosmic neutrinos, and it looks like we’ve finally done it!”


محتويات

The GRAND detector would search for neutrinos, exotic particles emitted by some and the black holes in the center of galaxies. These neutrinos could help astronomers find the source of other energetic particles called ultra-high-energy cosmic rays. When neutrinos reach Earth, they often collide with particles either in the air or on the ground, creating showers of secondary particles. These secondary particles can be picked up by the radio antennas, which lets researchers calculate the trajectory of the initial neutrinos and trace them back to their source. [1] [2] The concept was first published in 2017. [3]

The giant radio detector array would comprise 200,000 low-cost antennas in groups of 10,000 spread out over nearly 200,000 km 2 (80,000 square miles) at different locations around the world. [2] This would make it the largest detector in the world. Construction, installation and networking the 200,000 antennae, would cost approximately $226 million, [1] excluding the price for renting the land and manpower. [4]

The strategy of GRAND is to detect the radio emission coming from particle showers that develop in the terrestrial atmosphere as a result of the interaction of ultra-high energy (UHE) cosmic rays, gamma rays, and neutrinos. [5] Astrophysical tau neutrinos (
ν
τ ) can be detected through extensive air showers (EAS) induced by tau (
τ −
) decays in the atmosphere. [3] The short-lived tau decays in the atmosphere generates an EAS that emits measurable electromagnetic emissions up to frequencies of hundreds of MHz. [3] The antennae are foreseen to operate in the 60-200 MHz band to avoid the short-wave background noise at lower frequencies. [3]

Each individual antenna is a simple Bow-tie design, featuring 3 perpendicular bows with an additional vertical arm to sample all three polarization directions. [5] Each antenna is mounted on a single 5-meter-tall pole, and each antenna in the grid is spaced at 1 km within a square grid. If the full array of 200,000 antennae is built, GRAND would reach an all-flavor sensitivity of 4 x10 −10 GeV cm −2 s −1 sr −1 above 5 x10 17 eV. Because of its sub-degree angular resolution, GRAND will also search for point sources of UHE neutrinos, steady and transient, potentially starting UHE neutrino astronomy, allowing for the discovery and follow-up of large numbers of radio transients, fast radio bursts, giant radio pulses, and for precise studies of the epoch of reionization. [5]

The researchers estimate that GRAND could allow not just the detection of neutrinos, but could also allow a differentiation of the source types, such as galaxy clusters with central sources, fast-spinning newborn pulsars, active galactic nuclei, and afterglows of gamma-ray bursts. [3]

Simulation and experimental work is ongoing on technological development and background rejection strategies. Phase one is called GRANDProto35, that includes 35 antennas and 24 scintillators, deployed in the Tian Shan mountains in China. [3] If a pulse is observed simultaneously in the signals from three or more scintillators, the signals are recorded. As of October 2018, GRANDProto35 is in commissioning phase. [5] So far, the system achieves 100% detection efficiency for trigger rates up to 20 kHz.

The following step is planned for 2020, and its is a dedicated setup called GRANDProto300 within an area of 300 km 2 . [3] The baseline layout is a square grid with a 1 km inter-antenna spacing, just as for later stages. Because GRANDProto300 will not be large enough to detect cosmogenic neutrinos, the viability will be tested using instead extensive air showers initiated by very inclined cosmic rays, thus providing an opportunity to do cosmic-ray science. [5] The site would be hosted at the Chinese provinces of XinJiang, Inner Mongolia, Yunnan, and Gansu. [5] If funded, the later phases would build GRAND10k in 2025, and finally GRAND200k (200,000 receivers) in the 2030s. [5]


Ghosts at the South Pole: How a Giant Ice Cube Has Changed Astronomy Forever | رأي

About four billion years ago, when the planet Earth was still in its infancy, the axis of a black hole about one billion times more massive than the sun happened to be pointing right to where our planet was going to be on September 22, 2017.

Along the axis, a high-energy jet of particles sent photons and neutrinos racing in our direction at or near the speed of light. The IceCube Neutrino Observatory at the South Pole detected one of these subatomic particles&mdashthe IceCube&mdash170922A neutrino&mdashand traced it back to a small patch of sky in the constellation Orion and pinpointed the cosmic source: a flaring black hole the size of a billion suns, 3.7 billion light years from Earth, known as blazar TXS 0506+056. Blazars have been known about for some time. What wasn't clear was that they could produce high-energy neutrinos. Even more exciting was such neutrinos had never before been traced to its source.

Finding the cosmic source of high-energy neutrinos for the first time, announced on July 12, 2018 by the National Science Foundation, marks the dawn of a new era of neutrino astronomy. Pursued in fits and starts since 1976, when pioneering physicists first tried to build a large-scale high-energy neutrino detector off the Hawaiian coast, IceCube's discovery marks the triumphant conclusion of a long and difficult campaign by many hundreds of scientists and engineers&mdashand simultaneously the birth of a completely new branch of astronomy.

The detection of two distinct astronomical messengers&mdashneutrinos and light&mdashis a powerful demonstration of how so-called multimessenger astronomy can provide the leverage we need to identify and understand some of the most energetic phenomena in the universe. Since its discovery as a neutrino source less than a year ago, blazar TXS 0506+056 has been the subject of intensive scrutiny. Its associated stream of neutrinos continues to provide deep insights into the physical processes at work near the black hole and its powerful jet of particles and radiation, beamed almost directly toward Earth from its location just off the shoulder of Orion.

As three scientists in a global team of physicists and astronomers involved in this remarkable discovery, we were drawn to participate in this experiment for its sheer audacity, for the physical and emotional challenge of working long shifts at in a brutally cold location while inserting expensive, sensitive equipment into holes drilled 1.5 miles deep in the ice and making it all work. And, of course, for the thrilling opportunity to be the first people to peer into a brand new kind of telescope and see what it reveals about the heavens.

A remote, frigid neutrino detector

At an altitude exceeding 9,000 feet and with average summertime temperatures rarely breaking a frigid -22 Fahrenheit, the South Pole may not strike you as the ideal place to do anything, aside from bragging about visiting a place that is so sunny and bright you need sunscreen for your nostrils. On the other hand, once you realize that the altitude is due to a thick coat of ultrapure ice made from several hundred thousand years of pristine snowfall and that the low temperatures have kept it all nicely frozen, then it might not surprise you that for neutrino telescope builders, the scientific advantages outweigh the forbidding environment. The South Pole is now the home of the world's largest neutrino detector, IceCube.

It may seem odd that we need such an elaborate detector given that about 100 billion of these fundamental particles sashay right through your thumbnail each second and glide effortlessly through the entire Earth without interacting with a single earthly atom.

In fact, neutrinos are the second most ubiquitous particles, second only to the cosmic microwave background photons left over from the Big Bang. They comprise one-quarter of known fundamental particles. Yet, because they barely interact with other matter, they are arguably the least well understood.

To catch a handful of these elusive particles, and to discover their sources, physicists need big&mdash0.6 mile-wide&mdashdetectors made of an optically clear material&mdashlike ice. Fortunately Mother Nature provided this pristine slab of clear ice where we could build our detector.

At the South Pole several hundred scientists and engineers have constructed and deployed over 5,000 individual photosensors in 86 separate 1.5-mile-deep holes melted in the polar ice cap with a custom-designed hot-water drill. Over the course of seven austral summer seasons we installed all the sensors. The IceCube array was fully installed in early 2011 and has been taking data continuously since.

This array of ice-bound detectors can sense with great precision when a neutrino flies through and interacts with a few Earthly particles that generate dim patterns of bluish Cherenkov light, given off when charged particles move through a medium like ice at close to light speed.

Blazar emission reaches Earth: Gamma rays (magenta), the most energetic form of light, and elusive particles called neutrinos (gray) formed in the jet of an active galactic nucleus far, far away. The radiation traveled for about 4 billion years before reaching Earth. The IceCube Neutrino Observatory at the South Pole detected the arrival of neutrino IC170922 entering Antarctica on Sept. 22, 2017. After the interaction with a molecule of ice, a secondary high-energy particle&mdasha muon&mdashenters IceCube, leaving a trace of blue light behind it. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab/Nicolle R Fuller/NSF/IceCube.

Neutrinos from the cosmos

The Achilles' heel of neutrino detectors is that other particles, originating in the nearby atmosphere, can also trigger these patterns of bluish Cherenkov light. To eliminate these false signals, the detectors are buried deep in the ice to filter out interference before it can reach the sensitive detector. But in spite of being under nearly a mile of solid ice, IceCube still faces an onslaught of about 2,500 such particles every second, each of which could plausibly have been due to a neutrino.

With the expected rate of interesting, real astrophysical neutrino interactions (like incoming neutrinos from a black hole) hovering at about one per month, we were faced with a daunting needle-in-a-haystack problem.

The IceCube strategy is to look only at events with such high energy that they are exceedingly unlikely to be atmospheric in origin. With these selection criteria and several years of data, IceCube discovered the astrophysical neutrinos it had long been seeking, but it could not identify any individual sources&mdashsuch as active galactic nuclei or gamma-ray bursts&mdashamong the several dozen high-energy neutrinos it had captured.

To tease out actual sources, IceCube began distributing neutrino arrival alerts in April 2016 with help from the Astrophysical Multimessenger Observatory Network at Penn State. Over the course of the next 16 months, 11 IceCube-AMON neutrino alerts were distributed via AMON and the Gamma-ray Coordinates Network, just minutes or seconds after being detected at the South Pole.

A new window on the universe

The alerts triggered an automated sequence of X-ray and ultraviolet observations with NASA's Neil Gehrels Swift Observatory and led to further studies with NASA's Fermi Gamma-Ray Space Telescope and Nuclear Spectroscopic Telescope Array, and 13 other observatories around the world.

Swift was the first facility to identify the flaring blazar TXS 0506+056 as a possible source of the neutrino event. The Fermi Large Area Telescope then reported that the blazar was in a flaring state, emitting many more gamma-rays than it had in the past. As the news spread, other observatories enthusiastically jumped on the bandwagon and a broad range of observations ensued. The MAGIC ground-based telescope noted our neutrino came from a region producing very high-energy gamma-rays (each about ten million times more energetic than an X-ray), the first time such a coincidence has ever been observed. Other optical observations completed the puzzle by measuring the distance to blazar TXS 0506+056: about four billion light years from Earth.

With the first-ever identification of a cosmic source of high-energy neutrinos, a new branch on the astronomy tree has sprouted. As high-energy neutrino astronomy grows with more data, improved inter-observatory coordination, and more sensitive detectors, we will be able to map the neutrino sky with better and better precision.

And we expect exciting new breakthroughs in our understanding of the universe to follow suit, such as: solving the century-old mystery of the origin of astoundingly energetic cosmic rays testing if spacetime itself is foamy, with quantum fluctuations at very small distance scales, as predicted by certain theories of quantum gravity and figuring out exactly how cosmic accelerators, like those around the TXS 0506+056 black hole, manage to accelerate particles to such breathtakingly high energies.

For 20 years, the IceCube Collaboration had a dream to identify the sources of high-energy cosmic neutrinos&mdashand this dream is now a reality.

Doug Cowen, professor of physics and professor of astronomy & astrophysics, Pennsylvania State University Azadeh Keivani, Frontiers of Science fellow, Columbia University, and Derek Fox, associate professor of astronomy and astrophysics, Pennsylvania State University. The views expressed in this article are the author's own.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. اقرأ المقال الأصلي.


Probing the Universe with Neutrinos

An average neutrino has a 50&ndash50 chance of passing through an entire light-year of lead&mdash9.5 trillion kilometers of dense metal&mdashentirely unscathed. That profound aloofness gives the particles an advantage over other messengers: because they rarely interact with matter, neutrinos point straight back to where they came from. But this is a double-edged sword. An unavoidable consequence of traversing the universe as if it were transparent is that neutrinos typically pass through detectors on Earth in the same way&mdashwithout a trace.

To increase the odds of seeing a neutrino, scientists must build gigantic detectors such as the IceCube experiment at the South Pole, which consists of a cubic kilometer of Antarctic ice fitted with an array of optical sensors. As the world&rsquos largest neutrino observatory, IceCube searches for flashes of light emitted by charged particle showers produced when neutrinos collide with molecules in the ice. In 2018 IceCube reported a neutrino from a giant flaring blazar. And as recently as February, it saw evidence of a neutrino from a star being ripped apart by a black hole.

But at the highest energies, &ldquoIceCube just runs out of steam,&rdquo Vieregg says, noting that it would take at least 100 cubic kilometers of ice to have a reasonable chance of observing the optical traces of ultrahigh-energy neutrinos because particles accelerated to such extreme speeds are exceedingly rare. The issue lies with the spacing between detection units: light can only travel some tens of meters in ice before scattering or being absorbed, so the optical array must be packed densely, strictly limiting achievable detector size.

Thus, the sources of ultrahigh-energy particles remain undiscovered because an IceCube-style observatory of 100 cubic kilometers far surpasses the boundaries of technical and financial feasibility. In their quest to observe the first ultrahigh-energy neutrino, astrophysicists have instead shifted focus to the more economical approach of radio detection. Radio waves can travel hundreds of meters further in ice than optical light, so a sparser array of detection units can be built to cover a much larger volume at a fraction of the cost.

&ldquoRadio is the future,&rdquo says Tonia Venters, an astrophysicist at NASA&rsquos Goddard Space Flight Center. &ldquoI view it as a complementary probe with the potential to do what we&rsquore finding very challenging with other detection techniques.&rdquo


Neutrinos

Suggested Anchor Intro:
Yesterday scientists announced another giant discovery in the physics world. This time, it involves the most powerful explosion in the universe, head-banging stars and a cosmic gold rush. We have NASA scientist *NAME* here to give us a bite-sized astrophysics lesson.

While observing a galaxy 130 million light-years away, NASA scientists became the first to see a gamma-ray burst caused by two neutron stars smashing into each other. Join some of these brilliant minds from 6:00-11:30 a.m. ET on Tuesday, Oct. 17, for a bite-sized astrophysics lesson about an exciting discovery: many precious metals on Earth are remnants of these stellar collisions. This particular explosion produced 500 times the mass of Earth in platinum and 200 times the mass of Earth in gold.

Gamma-ray bursts are the most powerful explosions in the cosmos. Most occur when a massive star collapses under its own weight as it nears the end of its life. For decades scientists have suspected these bursts might also come from something else: collisions between neutron stars, the smallest and densest stars known to exist — they were right. Black holes merge darkly, but neutron stars do so with a splash. Matter is packed so tightly in neutron stars that a sugar cube-sized amount of material would weigh as much as Mount Everest. So, as it turns out, a neutron star merger can fuel the creation of precious metals and scatter them across the universe — precisely how gold, platinum and dozens of other elements arrived at Earth.

We now know that a neutron star merger is powerful enough to cause ripples in space-time, just as a rock thrown into a pond creates ripples in the water. The discovery of these gravitational waves earned three physicists a 2017 Nobel Prize. This neutron star collision marks the first time scientists have been able to pinpoint exactly where gravitational waves originated. This discovery brings remarkable new insights into the physics behind the most powerful explosions in the universe — and a reminder that we're surrounded by the stuff of stars.

Suggested Questions:
1. Walk us through this incredible discovery. What did you see?
2. So, the gold in my ring is stardust? How did these heavy metals get to Earth?
3. This isn't the first time you've seen an explosion like this. Why is this one so special?
4. The science community is pretty excited about gravitational waves. ما هم؟
5. Where can we learn more?

Location: NASA's Goddard Space Flight Center/Greenbelt, Maryland

Scientists:
Dr. Brad Cenko / NASA Astrophysicist, Goddard Space Flight Center
Dr. Paul Hertz / Director, Astrophysics Science Division, NASA Headquarters
Dr. Julie McEnery / NASA Astrophysicist, Goddard Space Flight Center

To book a window contact: Micheala Sosby / [email protected] / 301-286-8199

Catching gravitational waves from some of the strongest sources — colliding black holes with millions of times the sun's mass — will take a little longer. These waves undulate so slowly that they won't be detectable by ground-based facilities. Instead, scientists will need much larger space-based instruments, such as the proposed Laser Interferometer Space Antenna, which was endorsed as a high-priority future project by the astronomical community.

A team that includes astrophysicists at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., is looking forward to that day by using computational models to explore the mergers of supersized black holes. Their most recent work investigates what kind of "flash" might be seen by telescopes when astronomers ultimately find gravitational signals from such an event.

To explore the problem, a team led by Bruno Giacomazzo at the University of Colorado, Boulder, and including Baker developed computer simulations that for the first time show what happens in the magnetized gas (also called a plasma) in the last stages of a black hole merger.

In the turbulent environment near the merging black holes, the magnetic field intensifies as it becomes twisted and compressed. The team suggests that running the simulation for additional orbits would result in even greater amplification.

The most interesting outcome of the magnetic simulation is the development of a funnel-like structure — a cleared-out zone that extends up out of the accretion disk near the merged black hole.

The most important aspect of the study is the brightness of the merger's flash. The team finds that the magnetic model produces beamed emission that is some 10,000 times brighter than those seen in previous studies, which took the simplifying step of ignoring plasma effects in the merging disks.


شاهد الفيديو: قمر صناعي يصور نجما يهوي في قلب ثقب أسود (شهر فبراير 2023).