Sekitar empat miliar tahun yang lalu, ketika planet Bumi masih dalam masa pertumbuhan, poros lubang hitam sekitar satu miliar kali lebih masif daripada matahari menunjukkan tepat ke tempat planet kita akan berada pada 22 September 2017.
Di sepanjang sumbu, semburan partikel berenergi tinggi mengirim foton dan neutrino berlomba ke arah kita di atau di dekat kecepatan cahaya. IceCube Neutrino Observatory di Kutub Selatan mendeteksi salah satu partikel subatomik ini - neutrino IceCube-170922A - dan melacaknya kembali ke sepetak kecil langit di rasi bintang Orion dan menunjuk sumber kosmik: lubang hitam yang membesar seukuran satu miliar matahari, 3, 7 miliar tahun cahaya dari Bumi, dikenal sebagai blazar TXS 0506 + 056. Blazars telah dikenal selama beberapa waktu. Yang tidak jelas adalah bahwa mereka dapat menghasilkan neutrino berenergi tinggi. Yang lebih menarik adalah neutrino semacam itu belum pernah ditelusuri ke sumbernya.
Menemukan sumber kosmik neutrino berenergi tinggi untuk pertama kalinya, diumumkan pada 12 Juli 2018 oleh National Science Foundation, menandai awal era baru astronomi neutrino. Dikejar-kejar dan dimulai sejak 1976, ketika fisikawan perintis pertama kali mencoba membangun detektor neutrino energi tinggi berskala besar di lepas pantai Hawaii, penemuan IceCube menandai kesimpulan kemenangan dari kampanye yang panjang dan sulit oleh ratusan ilmuwan dan insinyur - dan secara bersamaan lahirnya cabang astronomi yang sama sekali baru.
Rasi bintang Orion, dengan bullseye di lokasi blazar. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Deteksi dua utusan astronomi yang berbeda - neutrino dan cahaya - adalah demonstrasi yang kuat tentang bagaimana yang disebut astronomi multimessenger dapat memberikan pengaruh yang kita butuhkan untuk mengidentifikasi dan memahami beberapa fenomena paling energetik di alam semesta. Sejak penemuannya sebagai sumber neutrino kurang dari setahun yang lalu, blazar TXS 0506 + 056 telah menjadi subjek penelitian intensif. Aliran neutrino yang terkait terus memberikan wawasan mendalam ke dalam proses fisik yang sedang bekerja di dekat lubang hitam dan pancaran partikel dan radiasi yang kuat, berseri-seri hampir secara langsung menuju Bumi dari lokasinya yang tidak jauh dari bahu Orion.
Ketika tiga ilmuwan dalam tim fisikawan dan astronom global terlibat dalam penemuan luar biasa ini, kami tertarik untuk berpartisipasi dalam percobaan ini karena keberaniannya yang melimpah, untuk tantangan fisik dan emosional dari bekerja dalam shift panjang di lokasi yang sangat dingin sambil memasukkan mahal, peralatan sensitif ke dalam lubang yang dibor 1, 5 mil jauh di dalam es dan membuatnya bekerja. Dan, tentu saja, untuk kesempatan mendebarkan untuk menjadi orang pertama yang mengintip ke dalam jenis teleskop baru dan melihat apa yang diungkapkannya tentang langit.
**********
Pada ketinggian melebihi 9, 000 kaki dan dengan suhu musim panas rata-rata jarang memecah -30 Celcius, Kutub Selatan mungkin tidak menyerang Anda sebagai tempat yang ideal untuk melakukan apa pun, selain dari membual tentang mengunjungi tempat yang begitu cerah dan cerah Anda memerlukan tabir surya untuk lubang hidung Anda. Di sisi lain, begitu Anda menyadari bahwa ketinggian ini disebabkan oleh lapisan tebal es ultra murni yang terbuat dari beberapa ratus ribu tahun hujan salju murni dan bahwa suhu rendah membuat semuanya tetap beku, maka mungkin tidak mengejutkan Anda bahwa untuk neutrino pembangun teleskop, keunggulan ilmiah lebih besar daripada lingkungan yang melarang. Kutub Selatan sekarang adalah rumah dari detektor neutrino terbesar di dunia, IceCube.
Maret 2015: Laboratorium IceCube di Stasiun Kutub Selatan Amundsen-Scott, di Antartika, menyelenggarakan komputer yang mengumpulkan data mentah dari detektor. Karena alokasi bandwidth satelit, tingkat pertama dari rekonstruksi dan penyaringan peristiwa terjadi dalam waktu yang hampir bersamaan di lab ini. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Mungkin tampak aneh bahwa kita memerlukan detektor rumit yang diberikan bahwa sekitar 100 miliar partikel fundamental ini dapat menembus thumbnail setiap detik dan meluncur dengan mudah melalui seluruh Bumi tanpa berinteraksi dengan atom bumi tunggal.
Faktanya, neutrino adalah partikel kedua yang paling banyak ditemukan, kedua setelah foton gelombang mikro kosmik yang tersisa dari Big Bang. Mereka terdiri dari seperempat partikel fundamental yang diketahui. Namun, karena mereka hampir tidak berinteraksi dengan masalah lain, mereka bisa dibilang paling tidak dipahami dengan baik.
Untuk menangkap beberapa partikel yang sulit dipahami ini, dan untuk menemukan sumbernya, fisikawan memerlukan detektor besar yang berjarak beberapa kilometer yang terbuat dari es yang bening seperti material. Untungnya, Mother Nature menyediakan lempengan es jernih di mana kita bisa membangun detektor kita.
IceCube Neutrino Observatory memberikan volume sekitar satu kilometer kubik es Antartika jernih dengan 5.160 modul optik digital (DOM) pada kedalaman antara 1.450 dan 2.450 meter. Observatorium ini mencakup subdetektor dengan instrumen padat, DeepCore, dan larikan shower air permukaan, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Di Kutub Selatan beberapa ratus ilmuwan dan insinyur telah membangun dan mengerahkan lebih dari 5.000 fotosensor individu di 86 lubang 1, 5 mil terpisah yang meleleh di tutup es kutub dengan bor air panas yang dirancang khusus. Selama tujuh musim musim panas Australia, kami memasang semua sensor. Array IceCube sepenuhnya diinstal pada awal 2011 dan telah mengambil data terus menerus sejak itu.
Berbagai detektor terikat es ini dapat merasakan dengan sangat presisi ketika neutrino terbang dan berinteraksi dengan beberapa partikel Bumi yang menghasilkan pola redup cahaya Cherenkov kebiruan, yang dilepaskan ketika partikel bermuatan bergerak melalui media seperti es dengan kecepatan mendekati cahaya.
**********
Tumor detektor neutrino Achilles adalah bahwa partikel lain, yang berasal dari atmosfer di dekatnya, juga dapat memicu pola-pola cahaya Cherenkov kebiruan ini. Untuk menghilangkan sinyal palsu ini, detektor dikubur jauh di dalam es untuk menyaring gangguan sebelum dapat mencapai detektor sensitif. Tetapi meskipun berada di bawah hampir satu mil dari es padat, IceCube masih menghadapi serangan sekitar 2.500 partikel seperti itu setiap detik, yang masing-masing mungkin disebabkan oleh neutrino.
Dengan tingkat yang diharapkan dari interaksi neutrino astrofisik yang nyata (seperti neutrino yang masuk dari lubang hitam) yang melayang sekitar satu per bulan, kami dihadapkan dengan masalah jarum-dalam-tumpukan jerami yang menakutkan.
Strategi IceCube adalah untuk melihat hanya pada peristiwa dengan energi tinggi sehingga mereka sangat tidak mungkin berasal dari atmosfer. Dengan kriteria seleksi ini dan beberapa tahun data, IceCube menemukan neutrino astrofisika yang telah lama dicari, tetapi tidak dapat mengidentifikasi sumber individu - seperti nukleus galaksi aktif atau semburan sinar gamma - di antara beberapa lusin neutrino berenergi tinggi yang ada. telah ditangkap.
Untuk mencari sumber yang sebenarnya, IceCube mulai mendistribusikan pemberitahuan kedatangan neutrino pada bulan April 2016 dengan bantuan dari Astrophysical Multimessenger Observatory Network di Penn State. Selama 16 bulan ke depan, 11 peringatan neutrino IceCube-AMON didistribusikan melalui AMON dan Jaringan Koordinat Gamma-ray, hanya beberapa menit atau detik setelah terdeteksi di Kutub Selatan.
Pada 22 September 2017, IceCube memberitahu komunitas astronomi internasional tentang deteksi neutrino berenergi tinggi. Sekitar 20 observatorium di Bumi dan di luar angkasa melakukan pengamatan lanjutan, yang memungkinkan identifikasi apa yang oleh para ilmuwan dianggap sebagai sumber neutrino berenergi sangat tinggi dan, dengan demikian, sinar kosmik. Selain neutrino, pengamatan yang dilakukan di seluruh spektrum elektromagnetik termasuk sinar gamma, sinar-X, dan radiasi optik dan radio. Observatorium ini dijalankan oleh tim internasional dengan total lebih dari 1.000 ilmuwan yang didukung oleh lembaga pendanaan di negara-negara di seluruh dunia. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Peringatan memicu urutan otomatis sinar-X dan pengamatan ultraviolet dengan NASA Neil Gehrels Swift Observatory dan mengarah ke studi lebih lanjut dengan Fermi Gamma-Ray Space Telescope NASA dan Nrayar Spectroscopic Telescope Array, dan 13 observatorium lainnya di seluruh dunia.
Swift adalah fasilitas pertama yang mengidentifikasi blazar berkobar TXS 0506 + 056 sebagai sumber yang mungkin dari peristiwa neutrino. The Fermi Large Area Telescopethen melaporkan bahwa blazar dalam kondisi menyala, memancarkan lebih banyak sinar gamma daripada di masa lalu. Ketika berita itu menyebar, pengamat-pengamat lain dengan antusias melompat ke kereta musik dan berbagai pengamatan pun terjadi. Teleskop darat berbasis MAGIC mencatat neutrino kami berasal dari daerah yang menghasilkan sinar gamma berenergi sangat tinggi (masing-masing sekitar sepuluh juta kali lebih energik daripada sinar-X), pertama kali kebetulan seperti itu pernah diamati. Pengamatan optik lainnya menyelesaikan teka-teki dengan mengukur jarak ke blazar TXS 0506 + 056: sekitar empat miliar tahun cahaya dari Bumi.
Dengan identifikasi pertama dari sumber kosmik neutrino berenergi tinggi, cabang baru pada pohon astronomi telah tumbuh. Ketika astronomi neutrino berenergi tinggi tumbuh dengan lebih banyak data, koordinasi antar-pengamatan yang lebih baik, dan detektor yang lebih sensitif, kita akan dapat memetakan langit neutrino dengan presisi yang lebih baik dan lebih baik.
Dan kita mengharapkan terobosan baru yang menarik dalam pemahaman kita tentang alam semesta untuk mengikuti, seperti: memecahkan misteri abad lama dari asal usul sinar kosmik yang sangat energetik; menguji apakah ruangwaktu itu sendiri berbusa, dengan fluktuasi kuantum pada skala jarak yang sangat kecil, seperti yang diprediksi oleh teori gravitasi kuantum tertentu; dan mencari tahu persis bagaimana akselerator kosmik, seperti yang ada di sekitar lubang hitam TXS 0506 + 056, berhasil mempercepat partikel ke energi yang sangat menakjubkan.
Selama 20 tahun, IceCube Collaboration bermimpi untuk mengidentifikasi sumber-sumber neutrino kosmik berenergi tinggi - dan mimpi ini sekarang menjadi kenyataan.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Doug Cowen, Profesor Fisika dan Profesor Astronomi & Astrofisika, Universitas Negeri Pennsylvania
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Universitas Columbia
Derek Fox, Associate Professor Astronomi dan Astrofisika, Pennsylvania State University
