Representasi artistik tentang bagaimana blazar mempercepat proton yang menghasilkan pion, yang pada gilirannya menghasilkan neutrino dan sinar gamma. Neutrino selalu merupakan hasil dari reaksi hadron. Sinar gamma dapat muncul dalam interaksi hadron dan elektromagnetik.Salah satu misteri sains terbesar adalah definisi tidak hanya objek yang ada di alam semesta, tetapi juga sumber sinyal yang kita perbaiki di Bumi. Selama lebih dari seratus tahun, kita telah mengetahui bahwa sinar kosmik membajak Semesta: partikel berenergi tinggi yang sumbernya jauh di luar batas Galaksi kita. Dan meskipun beberapa sumber partikel-partikel ini telah diidentifikasi, kebanyakan dari mereka, termasuk yang paling energik, tetap menjadi misteri.
Maka, situasi ini telah berubah. Kolaborasi IceCube pada 22 September 2017 menemukan neutrino berenergi sangat tinggi yang tiba di Kutub Selatan dan dapat menentukan sumbernya. Ketika beberapa teleskop yang beroperasi di kisaran gamma diarahkan ke titik yang sama, mereka tidak hanya melihat sinyal, tetapi juga
mengenali blazar yang berkedip tepat pada saat itu . Akhirnya, manusia telah menemukan setidaknya satu sumber yang menciptakan partikel-partikel kosmik ultra-energetik ini.
Ketika black hole melahap materi, mereka menciptakan akresi disk dan jet yang berasal dari kedua kutub, tegak lurus terhadapnya. Ketika aliran lubang hitam supermasif menunjuk ke arah kami, kami menyebutnya blazar, dan dalam kasus tertentu itu adalah objek BL Lizard. Sekarang mereka dianggap sebagai sumber utama sinar kosmik dan neutrino berenergi tinggi.Alam semesta, ke mana pun kita memandang, dipenuhi dengan hal-hal yang dapat diamati dan dengan mana Anda dapat berinteraksi. Materi hancur, membentuk galaksi, bintang, planet, dan bahkan manusia. Radiasi mengalir melalui alam semesta, meliputi seluruh spektrum elektromagnetik. Dan di setiap sentimeter kubik ruang Anda dapat menemukan ratusan partikel hantu dengan massa kecil, yang dikenal sebagai neutrino.
Paling tidak, mereka dapat ditemukan jika mereka cukup sering berinteraksi dengan materi normal, yang dengannya kita tahu bagaimana cara menghadapinya. Tetapi sebaliknya, neutrino dapat melewati dinding timah setebal satu tahun cahaya, dan memiliki peluang bertabrakan dengan partikel apa pun yang setara dengan 50/50. Beberapa dekade setelah keberadaan mereka seharusnya pada tahun 1930, kami tidak dapat menemukan mereka.
Reaktor nuklir RA-6 eksperimental, menunjukkan karakteristik radiasi Cherenkov yang disebabkan oleh partikel yang bergerak lebih cepat daripada cahaya dalam air. Neutrino (atau, lebih tepatnya, antineutrino), hipotesis keberadaan yang pertama kali dikemukakan oleh Pauli pada tahun 1930, ditemukan dalam reaktor nuklir serupa pada tahun 1956.Pada tahun 1956, kami pertama kali menemukannya dengan meletakkan detektor di sebelah reaktor nuklir, beberapa meter dari tempat mereka muncul. Pada 1960-an, kami membangun detektor yang cukup besar - di bawah tanah, terlindung dari partikel pencemar lainnya - untuk menemukan neutrino muncul di Matahari, dan yang dihasilkan oleh tabrakan sinar kosmik dengan atmosfer.
Kemudian pada tahun 1987, hanya kejutan yang menyenangkan dalam bentuk ledakan supernova di dekat kami yang memungkinkan kami mendeteksi neutrino yang terbang dari sana. Eksperimen yang
bekerja untuk tujuan yang sama sekali berbeda , menemukan neutrino dari
SN 1987A , dan mengantarkan pada era astronomi beberapa utusan. Sejauh yang kami tahu, neutrino terbang melintasi Semesta dengan energi yang tidak bisa dibedakan dari kecepatan cahaya.
Sisa-sisa supernova 1987a yang terletak di Awan Magellan Besar 165.000 tahun cahaya dari kami. Fakta bahwa neutrino tiba beberapa jam sebelum sinyal pertama memberi tahu kita lebih banyak tentang waktu yang diperlukan cahaya untuk merambat melalui lapisan bintang daripada tentang kecepatan gerakan neutrino, yang tidak dapat dibedakan dari kecepatan cahaya. Rupanya, neutrino, cahaya dan gravitasi bergerak dengan kecepatan yang sama.Selama sekitar 30 tahun, neutrino dari supernova ini adalah satu-satunya neutrino yang dikonfirmasi berasal dari luar tata surya, belum lagi batas-batas galaksi. Tetapi ini tidak berarti bahwa kami tidak menerima neutrino dari sumber yang lebih jauh; itu hanya berarti bahwa kita tidak dapat membandingkan mereka dengan sumber yang diketahui di langit. Meskipun neutrino bereaksi sangat lemah dengan materi, kemungkinan reaksi meningkat dengan meningkatnya energi.
Dan di sini
Observatorium IceCube ikut bermain.
IceCube Observatory, observatorium neutrino pertama dari jenisnya, dirancang untuk mengamati partikel berenergi tinggi yang sulit ditangkap ini di bawah es Antartika.Jauh di bawah es Kutub Selatan, di dalam IceCube adalah satu kilometer kubik materi padat yang membantu menemukan neutrino yang hampir tak bermassa ini. Ketika neutrino melewati Bumi, selalu ada kemungkinan bahwa mereka akan bereaksi dengan partikel di sana. Interaksi tersebut akan mengarah pada penampakan partikel, yang seharusnya meninggalkan jejak yang tidak ambigu pada detektor.
Ilustrasi bagaimana neutrino bereaksi dengan molekul es dengan mengeluarkan partikel sekunder - muon - yang bergerak dalam es pada kecepatan relativistik, dan meninggalkan jejak cahaya biruSelama enam tahun pengoperasian IceCube, detektor telah mendeteksi lebih dari 80 neutrino berenergi tinggi dengan energi lebih dari 100 TeV: ini lebih dari 10 kali lebih tinggi daripada nilai energi tertinggi yang dicapai oleh partikel apa pun di Large Hadron Collider. Beberapa dari mereka bahkan mendekati skala PEV, mencapai energi seribu kali lebih besar daripada yang diperlukan untuk membuat partikel partikel terberat dari yang diketahui saat ini.
Terlepas dari semua neutrino ini dari luar angkasa yang tiba di Bumi, sampai sekarang kita tidak dapat membandingkannya dengan sumber di langit, lokasi yang pasti akan kita ketahui. Penemuan neutrino ini adalah pencapaian yang luar biasa, tetapi kita tidak akan dapat memahami proses apa yang menghasilkannya, kecuali kita dapat membandingkannya dalam objek nyata Alam Semesta yang dapat diamati - misalnya, yang bisa kita amati dalam radiasi elektromagnetik.
Ketika neutrino berinteraksi dengan partikel-partikel es Antartika murni, ia menghasilkan partikel-partikel sekunder yang meninggalkan jejak cahaya biru ketika melewati IceCubePara ahli teori tidak memiliki masalah dengan ide-ide, misalnya:
- hypernovae , spesies supernova yang paling terang,
- sinar gamma berkedip
- flare lubang hitam
- quasar, yang terbesar dari lubang hitam aktif di alam semesta.
Tetapi untuk mengatasi masalah ini, bukti dibutuhkan.
Contoh neutrino berenergi tinggi yang terdeteksi pada IceCube: neutrino 4,45 PeV bertabrakan dengan detektor pada tahun 2014.
IceCube melacak dan mengeluarkan laporan setelah setiap neutrino berenergi sangat tinggi yang mereka temukan. Pada 22 September 2017, fenomena lain yang serupa diamati: IceCube-170922A. Dalam laporan itu, para ilmuwan mengumumkan hal berikut:
Pada 22 September 2017, IceCube mendeteksi peristiwa energi yang sangat tinggi dengan probabilitas tinggi memiliki sumber astrofisika. Peristiwa ini terdeteksi oleh Extremely High Energy (EHE). IceCube dalam mode operasi normal. Peristiwa EHE biasanya dikaitkan dengan puncak interaksi yang terletak di luar detektor, di mana muon dihasilkan yang melintasi volume detektor dengan tingkat [energi] yang tinggi.
Sinar kosmik menyebabkan hujan partikel di atmosfer , bertabrakan dengan proton dan atom atmosfer, dan memancarkan cahaya karena radiasi Cherenkov. Mengamati sinar kosmik di langit dan neutrino mencapai Bumi, kami menggunakan kebetulan untuk mengungkapkan sumber kedua fenomena.Perusahaan ini menarik tidak hanya untuk partikel neutrino, tetapi juga untuk sinar kosmik secara umum. Terlepas dari kenyataan bahwa kita telah mengamati jutaan sinar kosmik berenergi tinggi selama seratus tahun terakhir, kita tidak tahu sumber sebagian besar dari mereka. Dan ini berlaku untuk proton, nuklei, dan neutrino, keduanya diciptakan dalam sumbernya dan yang dihasilkan dari hujan atmosfer.
Itulah sebabnya sangat menarik sehingga, selain memperingatkan tentang fenomena itu, IceCube juga
mengeluarkan koordinat langit tempat asal neutrino ini:
- RA: 77,43 derajat (-0,80 derajat / + 1,30 derajat 90% penahanan PSF) J2000
- Desember: 5,72 derajat (-0,40 derajat / + 0,70 derajat 90% penahanan PSF) J2000
Dan mereka mengarahkan para pengamat mencoba melakukan pengamatan selanjutnya dalam spektrum elektromagnetik untuk objek ini.
Gambar artistik inti aktif galaksi. Sebuah lubang hitam supermasif di tengah piringan akresi mengirimkan pancaran kecil berenergi tinggi ke ruang angkasa yang tegak lurus terhadap piringan itu. Blazar, 4 miliar tahun cahaya dari kita, telah menjadi sumber sinar kosmik dan neutrino ini.Itu berubah menjadi blazar: sebuah lubang hitam supermasif dalam keadaan aktif, memakan materi dan mempercepatnya dengan kecepatan luar biasa. Blazar adalah quasar yang sama, tetapi dengan satu perbedaan penting. Quasar dapat berorientasi ke segala arah, dan di blazar salah satu jet selalu diarahkan langsung ke Bumi. Mereka disebut blazer dari kata blaze, yang berarti "bersinar, membakar terang" - mereka bersinar langsung ke arah kita.
Blazar khusus ini dikenal sebagai
TXS 0506 + 056 , dan banyak observatorium, termasuk Observatorium Fermi di NASA dan teleskop berbasis darat MAGIC di Kepulauan Canary, segera mendeteksi sinar gamma yang berasal darinya.
Sekitar 20 observatorium di Bumi dan di luar angkasa melakukan pengamatan mengikuti jejak deteksi neutrino menggunakan lokasi yang disediakan oleh detektor IceCube September lalu. Ini memungkinkan untuk menentukan apa yang para ilmuwan anggap sebagai sumber neutrino berenergi tinggi, dan karenanya sinar kosmik. Selain neutrino, pengamatan yang dilakukan pada seluruh spektrum elektromagnetik dilakukan dalam rentang sinar gamma, x-ray, optik, dan radio.Selain itu, pada saat kedatangan neutrino, ternyata blazar berada dalam keadaan bercahaya yang sesuai dengan emisi partikel yang paling aktif untuk benda-benda tersebut. Karena pengusiran partikel memiliki pasang surut, para peneliti IceCube menyisir catatan sepuluh tahun pengamatan sebelum pecahnya 22 September 2017, untuk mencari peristiwa terkait neutrino
yang mungkin berasal dari TXS 0506 + 056 .
Mereka segera menemukan bahwa neutrino berasal dari objek ini dalam beberapa kilasan, yang membentang selama bertahun-tahun. Dengan menggabungkan pengamatan neutrino dengan pengamatan dalam rentang elektromagnetik, kami dapat menyimpulkan bahwa neutrino berenergi tinggi datang dari blazar kepada kami, dan kami memiliki kemampuan untuk mendeteksi mereka dari jarak yang sangat jauh. TXS 0506 + 056
berjarak 4 miliar tahun cahaya dari kami.
Blazar TXS 0506 + 056 adalah sumber neutrino energi tinggi dan sinar kosmik pertama yang dikonfirmasi. Gambar menunjukkan lokasi blazar yang terletak di langit di bahu kiri rasi bintang Orion.Sejumlah besar informasi dapat diperoleh dari pengamatan tunggal atas suatu peristiwa dengan beberapa "pembawa pesan":
- Telah dibuktikan bahwa blazars setidaknya merupakan salah satu sumber sinar kosmik.
- Untuk penampilan neutrino, peony yang membusuk diperlukan, yang muncul karena proton yang bergerak cepat.
- Bukti meyakinkan pertama tentang percepatan proton oleh lubang hitam.
- TXS 0506 + 056 adalah salah satu sumber paling terang di Semesta.
- Sinar gamma yang menyertainya menunjukkan bahwa neutrino kosmik dan sinar kosmik, setidaknya dari waktu ke waktu, mungkin memiliki sumber yang sama.
Sinar kosmik yang dipancarkan oleh sumber astrofisika energi tinggi dapat mencapai permukaan bumi. Ketika sinar kosmik bertabrakan dengan partikel atmosfer Bumi, ia menghasilkan pancaran partikel, yang dapat kita deteksi menggunakan array sensor berbasis darat. Akhirnya, kami mengungkapkan sumber utama mereka.Menurut Francis Halzen, kepala penelitian di observatorium IceCube neutrino:
Menariknya, pendapat itu tersebar luas di komunitas astrofisika bahwa blazars hampir tidak dapat dianggap sebagai sumber sinar kosmik - dan ini dia ... Kemampuan untuk membangun teleskop di seluruh dunia dan membuat penemuan pada banyak panjang gelombang bersama dengan detektor neutrino seperti IceCube menandai tonggak baru di apa yang para ilmuwan sebut "multi-messenger astronomy".
Era astronomi beberapa utusan telah secara resmi tiba, dan sekarang kita memiliki tiga cara yang sepenuhnya independen dan saling melengkapi untuk memandang langit: menggunakan cahaya, neutrino, dan gelombang gravitasi. Kami belajar bahwa api, yang pernah dianggap sebagai kandidat yang tidak mungkin untuk menghasilkan neutrino energi tinggi dan sinar kosmik, sebenarnya menghasilkan keduanya.
Gagasan seniman tentang quasar jarak jauh 3C 279. Jet yang berasal dari kedua kutub adalah fenomena umum, tetapi sangat jarang bahwa jet seperti itu menunjuk langsung ke kita. Ketika ini terjadi, kita mendapatkan blazar - seperti yang sekarang dikonfirmasi, sumber sinar kosmik dan neutrino berenergi tinggi yang telah kita amati selama bertahun-tahun.Seiring dengan penemuan ini, bidang ilmiah baru secara resmi diluncurkan, astronomi neutrino berenergi tinggi. Neutrino tidak lagi merupakan produk sampingan dari interaksi lain atau keajaiban ruang yang nyaris tidak melampaui tata surya. Sekarang kita dapat menggunakannya sebagai penyelidikan mendasar dari Semesta dan hukum-hukum fisika itu sendiri. Salah satu tujuan utama konstruksi IceCube adalah untuk mengidentifikasi sumber-sumber neutrino ruang berenergi tinggi. Dengan konfirmasi dari blazar TXS 0506 + 056 sebagai sumber dari kedua neutrino dan sinar kosmik ini, salah satu impian kosmik banyak akhirnya terwujud.