Kemudahan permukaan untuk eksperimen IceCube, yang terletak di bawah hampir 1 batu (1.6 kilometer) ais di Antartika. IceCube menunjukkan bahawa neutrino hantu tidak ada, tetapi eksperimen baru mengatakan bahawa mereka ada.
(Imej: © Dengan hormat dari Observatorium IceCube Neutrino)
Di gurun es yang sejuk di Antartika, terdapat pengesan zarah besar, iaitu IceCube Neutrino Observatory. Tetapi mencari permukaan instrumen akan terbukti sukar, kerana sebahagian besar balai cerdas terperangkap di bawah ais. Observatorium antarabangsa telah mencari neutrino - zarah tanpa massa, tanpa cas yang hampir tidak pernah berinteraksi dengan jirim. Sekarang, pemerhatiannya dapat menyelesaikan salah satu misteri terbesar dalam astronomi, menjawab persoalan di sebalik asal-usul neutrino dan sinar kosmik.
Yang terbesar dari mereka semua
Observatorium IceCube Neutrino meliputi satu kilometer padu berhampiran Kutub Selatan. Instrumen ini meliputi satu kilometer persegi permukaan dan memanjang hingga 4,920 kaki (1,500 meter) dalam. Ia adalah pengesan neutrino gigaton pertama yang pernah dibina.
Walaupun gambar-gambar IceCube sering menunjukkan bangunan duduk di permukaan bersalji, kerja sebenarnya dilakukan di bawah. Eksperimen serbaguna merangkumi array permukaan, IceTop, susunan 81 stesen yang berada di atas tali. IceTop berfungsi sebagai pengesan penentukuran untuk IceCube, serta mengesan pancuran udara dari sinar kosmik primer, dan fluks dan komposisi mereka.
Subdetektor dalaman yang padat, DeepCore, adalah pusat kuasa eksperimen IceCube. Setiap stesen IceTop terdiri dari tali yang dilekatkan pada modul optik digital (DOM) yang digunakan pada grid heksagon yang jaraknya 410 kaki (125 meter). Setiap tali memegang 60 DOM bersaiz bola keranjang. Di sini, jauh di dalam ais, IceCube dapat memburu neutrino yang berasal dari matahari, dari dalam Bima Sakti, dan dari luar galaksi. Zarah hantu ini dihubungkan dengan sinar kosmik, zarah tenaga tertinggi yang pernah diperhatikan.
[Berkaitan: Mengesan Neutrino ke Sumbernya: Penemuan dalam Gambar]
Zarah misteri
Sinaran kosmik pertama kali ditemui pada tahun 1912. Letupan kuat radiasi bertabrakan dengan Bumi secara berterusan, mengalir dari semua bahagian galaksi. Para saintis mengira bahawa zarah bermuatan mesti terbentuk dalam beberapa objek dan peristiwa yang paling ganas dan paling tidak difahami di alam semesta. Kematian bintang yang meletup, supernova, menyediakan satu kaedah untuk mencipta sinar kosmik; lubang hitam aktif di pusat galaksi lain.
Kerana sinar kosmik terdiri daripada zarah-zarah bermuatan, bagaimanapun, mereka berinteraksi dengan medan magnet bintang dan objek lain yang mereka lalui. Medan melengkung dan mengubah jalan sinar kosmik, sehingga mustahil bagi para saintis untuk mengesannya kembali ke sumbernya.
Di situlah neutrino bermain. Seperti sinar kosmik, zarah berjisim rendah dianggap terbentuk melalui kekerasan. Tetapi kerana neutrino tidak mempunyai cas, mereka melewati medan magnet tanpa mengubah jalannya, bergerak dalam garis lurus dari sumbernya.
"Atas sebab ini, pencarian sumber sinar kosmik juga menjadi pencarian neutrino tenaga yang sangat tinggi," menurut laman web IceCube.
Walau bagaimanapun, ciri yang sama yang menjadikan neutrino sebagai utusan yang baik juga bermaksud mereka sukar dikesan. Setiap saat, kira-kira 100 bilion neutrino melewati satu inci persegi badan anda. Sebilangan besar dari mereka berasal dari sinar matahari, dan tidak cukup bertenaga untuk dikenali oleh IceCube, tetapi beberapa kemungkinan dihasilkan di luar Bima Sakti.
Titik neutrino memerlukan penggunaan bahan yang sangat jelas seperti air atau ais. Apabila satu neutrino menerobos proton atau neutron di dalam atom, tindak balas nuklear yang dihasilkan menghasilkan zarah sekunder yang memancarkan cahaya biru yang dikenali sebagai radiasi Cherenkov.
"Neutrin yang kami mengesan adalah seperti cap jari yang membantu kami memahami objek dan fenomena di mana neutrino dihasilkan," menurut pasukan IceCube.
Keadaan yang teruk
Kutub Selatan mungkin bukan luar angkasa, tetapi membawa cabaran tersendiri. Jurutera memulakan pembinaan di IceCube pada tahun 2004, sebuah projek tujuh tahun yang disiapkan mengikut jadual pada tahun 2010. Pembinaan hanya dapat dilakukan selama beberapa bulan setiap tahun, pada musim panas Belahan Selatan, yang berlangsung dari bulan November hingga Februari.
86 lubang yang membosankan memerlukan jenis gerudi khas - sebenarnya dua daripadanya. Yang pertama maju melalui salji pertama, lapisan salji yang dipadatkan, turun sekitar 164 kaki (50 meter). Kemudian gerudi air panas bertekanan tinggi meleleh melalui ais dengan kelajuan sekitar 2 meter (6.5 kaki) per minit, hingga kedalaman 2.450 meter (8.038 kaki, atau 1.5 batu).
"Bersama-sama, kedua-dua latihan dapat menghasilkan lubang menegak yang hampir sempurna yang siap digunakan untuk instrumen pada kadar satu lubang setiap dua hari," menurut IceCube.
Tali itu kemudian harus disebarkan dengan cepat ke dalam air cair sebelum es membeku. Pembekuan memerlukan beberapa minggu untuk stabil, setelah itu instrumen tetap tidak dapat disentuh, dibekukan secara kekal di dalam ais dan tidak dapat diperbaiki. Kadar kegagalan instrumen sangat perlahan, dengan kurang daripada 100 daripada 5,500 sensor pada masa ini tidak beroperasi.
IceCube mula membuat pemerhatian dari awal, walaupun tali lain sedang digunakan.
Ketika projek ini pertama kali dimulakan, para penyelidik tidak jelas sejauh mana cahaya akan melalui es, menurut Halzen. Dengan maklumat yang mantap, kolaborasi ini menuju ke arah IceCube-Gen2. Observatorium yang ditingkatkan akan menambahkan lebih kurang 80 rentetan pengesan, sementara pemahaman tentang sifat ais akan membolehkan para penyelidik meletakkan sensor lebih luas daripada anggaran konservatif asalnya. IceCube-Gen2 harus menggandakan ukuran balai cerap dengan kos yang hampir sama.
Ilmu yang luar biasa
IceCube mula memburu neutrino sebelum selesai, menghasilkan beberapa hasil saintifik yang menarik sepanjang perjalanan.
Antara Mei 2010 dan Mei 2012, IceCube memerhatikan 28 zarah bertenaga tinggi. Halzen mengaitkan kemampuan pengesan untuk memerhatikan kejadian ekstrem ini dengan selesainya pengesan.
"Ini adalah petunjuk pertama mengenai neutrino bertenaga tinggi dari luar sistem suria kita, dengan tenaga lebih dari satu juta kali daripada yang diperhatikan pada tahun 1987 berkaitan dengan supernova yang dilihat di Awan Magellan Besar," kata Halzen dalam satu kenyataan. "Sangat menggembirakan untuk akhirnya melihat apa yang kita cari. Ini adalah awal era astronomi baru."
Pada bulan April 2012, sepasang neutrino bertenaga tinggi dikesan dan dijuluki Bert dan Ernie, setelah watak dari rancangan televisyen kanak-kanak "Sesame Street." Dengan tenaga di atas 1 petaelectronvolt (PeV), pasangan ini adalah neutrino yang pertama kali dikesan secara pasti dari luar sistem suria sejak supernova 1987.
"Ini adalah kejayaan besar," kata Uli Katz, ahli fizik zarah di Universiti Erlangen-Nuremberg, di Jerman, yang tidak terlibat dalam penyelidikan ini. "Saya rasa ia adalah salah satu penemuan utama mutlak dalam fizik zarah astro," kata Katz kepada Space.com.
Pemerhatian ini mengakibatkan IceCube dianugerahkan Kejayaan Terbaik Dunia Fizik 2013.
Hasil utama yang lain adalah pada 4 Disember 2012, ketika balai cerdas mengesan kejadian yang disebut oleh para saintis Big Bird, juga dari "Sesame Street." Big Bird adalah neutrino dengan tenaga melebihi 2 kuadrillion elektron volt, lebih dari satu juta juta kali lebih besar daripada tenaga sinar-X gigi, dimasukkan ke dalam satu zarah dengan jisim elektron kurang dari sepersejuta. Pada masa itu, ia adalah neutrino bertenaga tertinggi yang pernah dikesan; sehingga 2018, ia masih berada di kedudukan kedua.
Dengan bantuan teleskop Angkasa Fermi Gamma-ray NASA, para saintis mengaitkan Big Bird dengan ledakan blazar yang sangat bertenaga yang dikenali sebagai PKS B1424-418. Blazar dikuasakan oleh lubang hitam supermasif di tengah galaksi. Ketika lubang hitam meletupkan bahan, sebahagian dari bahan tersebut dibelokkan menjadi jet yang membawa begitu banyak tenaga sehingga melebihi bintang di galaksi. Jet mempercepat jirim, mewujudkan neutrino dan serpihan atom yang mencipta beberapa sinar kosmik.
Bermula pada musim panas 2012, blazar bersinar antara 15 hingga 30 kali lebih terang pada sinar gamma daripada rata-rata sebelum letusan. Sebuah program pemerhatian jangka panjang bernama TANAMI, yang secara rutin memantau hampir 100 galaksi aktif di langit selatan, mendedahkan bahawa inti jet galaksi itu telah terang empat kali antara 2011 dan 2013.
"Tidak ada galaksi lain yang diperhatikan oleh TANAMI sepanjang hayat program ini yang menunjukkan perubahan yang begitu dramatik," kata Eduardo Ros, dari Institut Max Planck untuk Radio Astronomi (MPIfR) di Jerman, dalam satu pernyataan 2016. Pasukan mengira bahawa kedua-dua acara itu saling berkaitan.
"Dengan mempertimbangkan semua pengamatan, blazar sepertinya memiliki cara, motif dan kesempatan untuk melepaskan neutrino Big Bird, yang menjadikannya suspek utama kami," kata Matthias Kadler, seorang profesor astrofizik di University of Würzburg di Jerman. "
Pada bulan Julai 2018, IceCube mengumumkan bahawa, untuk pertama kalinya, ia telah menjejaki neutrino kembali ke sumber asalnya. Pada bulan September 2017, berkat sistem amaran yang baru dipasang yang disiarkan kepada saintis di seluruh dunia dalam beberapa minit setelah mengesan calon neutrino yang kuat, para penyelidik dapat dengan cepat memutar teleskop mereka ke arah yang berasal dari isyarat baru. Fermi memberi amaran kepada para penyelidik mengenai kehadiran blazar aktif, yang dikenali sebagai TXS-0506 + 056, di bahagian langit yang sama. Pemerhatian baru mengesahkan bahawa blazar menyala, memancarkan ledakan tenaga yang lebih terang daripada biasa.
Sebahagian besarnya, TXS adalah blazar khas; ia adalah salah satu daripada 100 blazar paling terang yang dikesan oleh Fermi. Namun, sementara 99 yang lain juga terang, mereka tidak melemparkan neutrino ke arah IceCube. Dalam beberapa bulan kebelakangan ini, TXS semakin menyala, cerah dan redup seratus kali lebih kuat daripada tahun-tahun sebelumnya.
"Menjejaki bahawa neutrino bertenaga tinggi dikesan oleh IceCube kembali ke TXS 0506 + 056 menjadikan ini pertama kalinya kami dapat mengenal pasti objek tertentu sebagai kemungkinan sumber neutrino bertenaga tinggi," Gregory Sivakoff, dari Universiti Alberta di Kanada, kata dalam satu kenyataan.
IceCube belum selesai. Sistem amaran baru akan membuat ahli astronomi tetap berada di jari kaki pada tahun-tahun mendatang. Observatorium ini mempunyai jangka hayat 20 tahun yang dirancang, jadi sekurang-kurangnya ada satu dekad penemuan luar biasa yang datang dari balai cerap Kutub Selatan.
