La doi kilometri și jumătate sunt gheața Antarcticii, un kilometru cub de apă înghețată a fost echipat cu 5.160 de senzori de lumină. Oamenii de știință au transformat astfel Polul Sud într-un telescop, care privește în jos prin întreaga planetă pentru a detecta particulele care sosesc de pe partea opusă a cerului, relatează Space Daily.
Îngropat în gheața de sub Stația Amundsen-Scott de la Polul Sud este un observator fără oglinzi, lentile sau cameră foto convențională. Acesta detectează particule prin 5.160 de sfere din sticlă. Fiecare sferă conține un tub fotomultiplicator foarte sensibil și componentele electronice aferente. Acestea sunt suspendate pe 86 de cabluri care coboară printr-un kilometru cub de calotă glaciară antarctică.
Cei mai adânci senzori au fost amplasați la aproximativ 2.450 de metri sub suprafață. Partea superioară a acestui sistem de senzori se află la circa 1.450 de metri.
Însă cea mai neobișnuită trăsătură a acestui telescop sub gheață este direcția în care „privește”. Pentru o mare parte din observațiile dedicate neutrinilor, IceCube folosește însuși Pământul drept filtru. O particulă care pătrunde pe planetă în emisfera nordică călătorește prin mii de kilometri de rocă și gheață, iar apoi produce un fulger de lumină albastră în detectorul din Antarctica. Privit de la Polul Sud, acest semnal care se deplasează în sus pare să fi venit de sub pământ.
Astfel, planeta însăși devine o componentă a telescopului.
Un telescop construit din gheață
IceCube nu fotografiază neutrinii. Neutrinii nu au sarcină electrică și interacționează cu materia prin intermediul forței nucleare slabe, astfel că majoritatea traversează detectorul fără să lase vreo urmă. Nenumărați neutrini trec prin corpul tău în fiecare secundă. Aproape toți continuă să străbată Pământul ca și cum acesta aproape că nu ar exista.
Această trăsătură a neutrinilor este motivul principal pentru care IceCube trebuie să fie atât de mare. Un kilometru cub de gheață conține un număr imens de nuclee atomice, oferind unei mici fracțiuni dintre neutrinii care îl traversează șansa de a se ciocni de unul dintre ele. Masa instrumentată este de aproximativ o gigatonă.
Cele 5.160 de module optice digitale ale IceCube sunt dispuse pe 86 de cabluri verticale. Pe un cablu obișnuit, 60 de module sunt amplasate la intervale de 17 metri. Majoritatea cablurilor sunt separate între ele de aproximativ 125 de metri, în timp ce o regiune centrală mai densă, numită DeepCore, este proiectată pentru detectarea neutrinilor cu energie mai scăzută.
Mediul în care este amplasat experimentul îi oferă simultan trei avantaje. Gheața servește drept țintă în care un neutrin poate interacționa. Tot ea constituie un mediu transparent prin care lumina rezultată poate călători. În plus, după ce forajele îngheață din nou, gheața fixează senzorii într-o configurație tridimensională stabilă.
Cum produce o particulă invizibilă lumină albastră
Un neutrin poate fi detectat doar în situația rară în care se lovește de un proton sau un neutron pe gheață. Coliziunea poate crea o particulă secundară, încărcată electric, precum un electron, un muon sau un tau.
Această particulă secundară se poate deplasa prin gheață cu o viteză mai mare decât viteza luminii în gheață. Acest lucru nu încalcă limita de viteză stabilită de Einstein. Lumina se propagă mai lent printr-un material decât în vid, în timp ce particula încărcată rămâne sub viteza luminii în vid.
Pe măsură ce particula se deplasează prin gheață, ea perturbă câmpul electromagnetic al moleculelor din apropierea sa. Rezultatul este un con de radiație Cherenkov albastră, echivalentul optic al undei de presiune pe care o lasă în urma sa o aeronavă supersonă. Fotomultiplicatorii IceCube convertesc fotonii care ajung la senzori în semnale electrice și le înregistrează momentul sosirii și luminozitatea.
Gheața glaciară este transparentă, dar din punct de vedere optic nu este un mediu simplu. Straturile de praf și de materiale vulcanice dispersează și absorb lumina în mod diferit, iar cristalele de gheață au ele însele o orientare preferențială.
IceCube este dotat cu LED-uri de calibrare în interiorul modulelor sale, astfel încât cercetătorii să poată măsura modul în care impulsurile luminoase se propagă prin detector.
Un model greșit al gheții ar putea conduce la estimări eronate ale direcției sau energiei unui neutrin.
De ce IceCube „privește” prin Pământ
Neutrinii nu sunt singurele particule capabile să producă lumină în detector. Razele cosmice care lovesc atmosfera de deasupra Antarcticii generează cascade de particule secundare, inclusiv muoni. Acești muoni atmosferici care se deplasează în jos ajung la IceCube într-un număr atât de mare încât acoperă aproape complet evenimentele, mult mai rare, produse de neutrinii de origine astrofizică.
Amplasarea senzorilor la mare adâncime sub gheață elimină o mare parte din acest zgomot de fond, însă nu în totalitate. Filtrul decisiv este chiar planeta.
Un muon nu poate traversa întregul Pământ. Dacă IceCube reconstruiește o traiectorie lungă care se deplasează în sus prin detector, particula care a declanșat evenimentul trebuie să fi fost capabilă să traverseze planeta. Un neutrin poate face acest lucru, poate interacționa în gheață sau în roca din apropiere și poate produce un muon care se deplasează în sus chiar înainte de a fi detectat.
Direcția „în jos”, prin interiorul Pământului, corespunde cerului din emisfera nordică. În loc să îndrepte un telescop spre o stea aflată la nord, IceCube așteaptă ca un neutrin venit din acea direcție să traverseze planeta și să ajungă la detector de dedesubt.
Această metodă de filtrare nu elimină însă toate sursele de zgomot de fond. Razele cosmice produc și neutrini atmosferici, iar aceștia pot traversa Pământul la fel ca neutrinii de origine astronomică. Cercetătorii trebuie să distingă statistic cele două populații, folosind energia, direcția, forma evenimentului și existența unor grupări de evenimente în jurul unei posibile surse.
Motivul pentru care merită depus tot acest efort este că neutrinii păstrează informații pe care alte particule le pierd. Razele cosmice sunt încărcate electric, iar câmpurile magnetice le deviază traiectoria în timpul călătoriei spre Pământ. Astfel, direcția din care ajunge o particulă încărcată poate avea foarte puțin de-a face cu direcția obiectului care a accelerat-o.
Odată ce direcția lor este reconstruită, aceasta poate indica locul în care au fost produși.
Cum au fost înghețați cei 5.160 de senzori
Ca să construiască acest telescop capabil să detecteze neutrini, oamenii de știință au construit niște puțuri temporare prin gheața care se compactase timp de zeci de mii de ani.
Între 2004 și 2010, echipele au folosit un burghiu cu apă fierbinte pentru a topi puțuri cu un diametru de aproximativ 60 de centimetri și o adâncime de până la 2.450 de metri.
Fiecare puț a necesitat, în medie, aproximativ 48 de ore pentru a fi forat. Coborârea unui cablu care transporta 60 de module optice a mai durat 11 ore. Apoi, apa a înghețat din nou în jurul șirului de senzori.
Acest ultim pas face ca amplasarea senzorilor să fie permanentă. Un senzor stricat nu poate fi ridicat la suprafață și înlocuit. Modulele au fost testate extensiv înainte de instalare, iar software-ul lor poate fi actualizat prin cablurile care duc la Laboratorul IceCube de la suprafață, însă sferele de sticlă în sine sunt acum inaccesibile.
Designul explică, de asemenea, de ce telescopul este îngropat atât de adânc. Gheața de deasupra protejează modulele de o mare parte a radiației de la suprafață și oferă particulelor atmosferice mai mult material de traversat înainte de a ajunge la rețeaua de senzori. La acele adâncimi, presiunea a eliminat, de asemenea, bulele de aer din gheață care, în mod normal, ar împrăștia puternic lumina.
Nimic nu se mișcă pentru a urmări o țintă. Nu există o cupolă care să se rotească și nici nopți de observație care trebuie programate. Detectorul supraveghează permanent, folosind relația temporală dintre senzorii fixați pentru a deduce direcția unui eveniment. De la Polul Sud geografic, cerul se rotește deasupra orizontului, în timp ce geometria detectorului rămâne stabilă.
IceCube așteaptă o coliziune rară, citește lumina lăsată de particulele rezultate și calculează traiectoria de sosire.
Ce a aflat IceCube până acum
Telescopul IceCube ar fi greu de justificat dacă ar detecta doar ocazional particule fără să aflăm de unde provin.
Primul rezultat astronomic decisiv al său a fost unul statistic. În 2013, oamenii de știință care analizează informațiile colectate de IceCube au identificat dovezi privind existența unei populații de neutrini de mare energie proveniți din afara Sistemului Solar. Evenimentele au fost detectate din toate direcțiile cerului și au avut energii și frecvențe care nu puteau fi explicate doar prin fondul atmosferic așteptat.
Următoarea provocare a fost asocierea acestor particule cu obiecte astronomice specifice.
Pe 22 septembrie 2017, IceCube a detectat un neutrin de mare energie și a emis o alertă automată. Observațiile ulterioare realizate de telescopul spațial pentru raze gamma Fermi și de telescoapele MAGIC au atras atenția asupra galaxiei active TXS 0506+056, al cărei jet se afla într-o stare intensă de emisie gamma. O analiză a datelor mai vechi de la IceCube a identificat apoi un exces anterior de neutrini proveniți din aceeași direcție. Rezultatul multimessenger publicat în 2018 a oferit dovezi că această galaxie activă era o sursă de neutrini de mare energie și, implicit, un loc unde avea loc accelerarea particulelor.
În 2022, IceCube a găsit dovezi privind emisia de neutrini de mare energie provenită de la NGC 1068, cunoscută și sub numele de Messier 77. Această galaxie activă apropiată este deosebit de utilă pentru cercetare deoarece praful și gazul îi ascund regiunea centrală în anumite forme de lumină. Neutrinii pot scăpa din medii dense din care fotonii poate nu reușesc să iasă, oferind astronomilor informații despre un nucleu galactic ascuns. Rezultatul privind NGC 1068 s-a bazat pe un exces de evenimente colectate pe parcursul mai multor ani, nu pe un singur neutrin concludent.
Apoi, în 2023, IceCube a realizat prima imagine a Căii Lactee în neutrini de mare energie. Harta a fost construită în principal folosind evenimente de tip cascadă și tipare statistice, nu o succesiune clară de surse punctiforme. Ea a arătat planul galactic folosind particule de materie, nu radiație electromagnetică.
