Ilustrasi seorang pelukis mengenai kilauan seperti yang baru-baru ini didapati mempercepat neutrino dan sinar kosmik dengan kecepatan yang luar biasa. Lubang hitam supermasif di tengah cakera pertambahan menghantar jet bahan bertenaga tinggi yang sempit ke ruang angkasa, tegak lurus dengan cakera.
(Imej: © DESY, Makmal Komunikasi Sains)
Ahli astronomi telah mengesan neutrino bertenaga tinggi ke sumber kosmiknya untuk pertama kalinya, menyelesaikan misteri berusia satu abad dalam proses itu.
Neutrinos adalah zarah subatomik yang hampir tidak berjisim yang tidak mempunyai cas elektrik dan oleh itu jarang berinteraksi dengan persekitarannya. Sesungguhnya, trilion "zarah hantu" ini mengalir ke badan anda tanpa disedari dan tidak terhalang setiap saat.
Sebilangan besar neutrino ini berasal dari matahari. Tetapi peratusan kecil, yang mempunyai tenaga yang sangat tinggi, telah meroket ke hutan kita dari ruang yang sangat dalam. Ketidakseimbangan neutrino yang melekat telah menghalang para astronom untuk menentukan asal pengembara kosmik seperti itu - hingga sekarang. [Menelusuri Neutrino ke Sumbernya: Penemuan dalam Gambar]
Pemerhatian oleh Observatorium IceCube Neutrino di Kutub Selatan dan sejumlah instrumen lain membolehkan para penyelidik mengesan satu neutrino kosmik ke blazar yang jauh, galaksi elips besar dengan lubang hitam supermasif yang berputar pantas di jantungnya.
Dan ada banyak lagi. Neutrinos kosmik beriringan dengan sinar kosmik, zarah bermuatan yang sangat bertenaga yang menghantam planet kita secara berterusan. Oleh itu, penemuan baru mengetuk blazar sebagai pemecut sekurang-kurangnya beberapa sinar kosmik yang paling pantas bergerak juga.
Ahli astronomi bertanya-tanya tentang ini sejak sinar kosmik pertama kali ditemui pada tahun 1912. Tetapi mereka telah digagalkan oleh sifat zarah yang dikenakan, yang menyatakan bahawa sinar kosmik ditarik dengan cara ini dan oleh pelbagai objek ketika mereka mengezum ruang. Kejayaan akhirnya datang dengan menggunakan perjalanan lurus zarah hantu sesama pengembara.
"Kami telah mencari sumber sinar kosmik selama lebih dari satu abad, dan akhirnya kami menemukannya," kata Francis Halzen, saintis utama di Observatorium IceCube Neutrino dan seorang profesor fizik di University of Wisconsin-Madison, kepada Space. com. [Fizik Wacky: Zarah-zarah Kecil Paling Keren di Alam]
Satu usaha berpasukan
IceCube, yang dikendalikan oleh Yayasan Sains Nasional A.S. (NSF), adalah pemburu neutrino yang berdedikasi. Kemudahan ini terdiri daripada 86 kabel, yang terletak di dalam lubang bor yang membentang kira-kira 1.5 batu (2.5 kilometer) ke ais Antartika. Setiap kabel, pada gilirannya, memegang 60 "modul optik digital" berukuran bola keranjang, yang dilengkapi dengan pengesan cahaya sensitif.
Alat pengesan ini dirancang untuk mengambil ciri khas cahaya biru yang dipancarkan setelah neutrino berinteraksi dengan inti atom. (Cahaya ini dilepaskan oleh zarah sekunder yang dihasilkan oleh interaksi. Dan sekiranya anda tertanya-tanya: Semua ais di atasnya menghalang zarah-zarah selain neutrino daripada sampai ke pengesan dan mengotori data.) Ini adalah kejadian yang jarang berlaku; IceCube mendapat hanya beberapa ratus neutrino setiap tahun, kata Halzen.
Kemudahan ini telah memberikan sumbangan besar kepada astronomi. Sebagai contoh, pada tahun 2013, IceCube membuat pengesanan neutrino yang pertama kali disahkan dari luar galaksi Bima Sakti. Penyelidik tidak dapat menentukan sumber zarah hantu bertenaga tinggi pada masa itu.
Pada 22 September 2017, bagaimanapun, IceCube mengambil neutrino kosmik yang lain. Ia sangat bertenaga, memuat sekitar 300 volt teraelectron - hampir 50 kali lebih besar daripada tenaga proton yang berpusing melalui pemecut zarah Bumi yang paling kuat, Large Hadron Collider.
Dalam 1 minit pengesanan, kemudahan itu mengirimkan pemberitahuan automatik, memberi tahu para astronom lain mengenai koordinat penemuan dan penyampaian ke langit yang sepertinya menempatkan sumber zarah tersebut.
Komuniti itu menjawab: Hampir 20 teleskop di tanah dan di ruang angkasa menjelajahi spektrum elektromagnetik, dari gelombang radio bertenaga rendah hingga sinar gamma bertenaga tinggi. Pengamatan gabungan menelusuri asal-usul neutrino ke blazar yang sudah diketahui disebut TXS 0506 + 056, yang terletak sekitar 4 miliar tahun cahaya dari Bumi.
Sebagai contoh, pemerhatian susulan oleh beberapa instrumen yang berbeza - termasuk Teleskop Angkasa Fermi Gamma-ray yang mengorbit Bumi dan Teleskop Pencitraan Gamma Atmosfera Utama (MAGIC) di Kepulauan Canary - mendedahkan ledakan cahaya sinar gamma yang kuat menyala dari TXS 0506 + 056. [Gamma-Ray Universe: Foto oleh Teleskop Angkasa Fermi NASA]
Pasukan IceCube juga memeriksa data arsipnya dan menemui lebih dari selusin neutrino kosmik lain yang nampaknya berasal dari blazar yang sama. Zarah tambahan ini diambil oleh pengesan dari akhir 2014 hingga awal 2015.
"Semua potongan sesuai," kata Albrecht Karle, seorang saintis senior IceCube dan profesor fizik UW-Madison, dalam satu kenyataan. "Kemerosotan neutrino dalam data arsip kami menjadi pengesahan bebas. Bersama dengan pemerhatian dari observatorium lain, bukti yang kuat untuk blazar ini menjadi sumber neutrino yang sangat bertenaga, dan dengan demikian sinar kosmik bertenaga tinggi."
Penemuan ini dilaporkan dalam dua kajian baru yang diterbitkan dalam talian hari ini (12 Julai) dalam jurnal Science. Anda boleh menjumpainya di sini dan di sini.
Astrofizik multimessenger semakin meningkat
Blazar adalah jenis galaksi aktif superluminous khas yang mengeluarkan jet berkembar cahaya dan zarah, salah satunya ditujukan terus ke Bumi. (Itulah sebahagian mengapa blazar kelihatan begitu terang bagi kita - kerana kita berada dalam barisan jet jet.)
Ahli astronomi telah mengenal pasti beberapa ribu blazar di seluruh alam semesta, tidak ada satupun yang ditemui sebagai pelindung neutrino pada kita seperti TXS 0506 + 056.
"Ada sesuatu yang istimewa mengenai sumber ini, dan kita harus memikirkannya," kata Halzen kepada Space.com.
Itulah satu daripada banyak persoalan yang ditimbulkan oleh hasil baru. Sebagai contoh, Halzen juga ingin mengetahui mekanisme pecutan: Bagaimana, tepat, blazar mendapat neutrino dan sinar kosmik dengan kelajuan yang luar biasa?
Halzen menyatakan optimis untuk menjawab soalan-soalan seperti itu dalam waktu dekat, dengan menyebut kekuatan "astrofizik multimessenger" - penggunaan sekurang-kurangnya dua jenis isyarat yang berbeza untuk menginterogasi kosmos - yang dipamerkan dalam dua kajian baru.
Penemuan neutrino mengikuti jarak dekat dengan mercu tanda multimessenger lain: Pada Oktober 2017, para penyelidik mengumumkan bahawa mereka telah menganalisis perlanggaran antara dua bintang neutron superdensif dengan memerhatikan radiasi elektromagnetik dan gelombang graviti yang dipancarkan semasa peristiwa dramatik.
"Era astrofizik multimessenger ada di sini," kata Pengarah NSF Perancis Cordova dalam kenyataan yang sama. "Setiap utusan - dari sinaran elektromagnetik, gelombang graviti dan sekarang neutrino - memberi kita pemahaman yang lebih lengkap mengenai alam semesta dan wawasan baru yang penting mengenai objek dan peristiwa paling kuat di langit."
