De oppervlaktefaciliteit voor het IceCube-experiment, dat zich onder bijna 1 mijl (1,6 kilometer) ijs op Antarctica bevindt. IceCube suggereert dat spookachtige neutrino's niet bestaan, maar een nieuw experiment zegt dat ze dat wel doen.
(Afbeelding: © met dank aan IceCube Neutrino Observatory)
In de ijzige woestenij van Antarctica zit een enorme deeltjesdetector, de IceCube Neutrino Observatory. Maar het oppervlak zoeken naar het instrument zal moeilijk blijken te zijn, omdat het grootste deel van het observatorium onder het ijs vastzit. Het internationale observatorium jaagt op neutrino's - massaloze, ladingloze deeltjes die bijna nooit met materie interageren. Nu kunnen de waarnemingen een van de grootste mysteries in de astronomie oplossen en de vragen achter de oorsprong van neutrino's en kosmische straling beantwoorden.
De grootste van allemaal
De IceCube Neutrino-sterrenwacht beslaat een kubieke kilometer nabij de zuidpool. Het instrument beslaat een vierkante kilometer van het oppervlak en strekt zich uit tot 4.920 voet (1.500 meter) diep. Het is de eerste gigaton neutrinodetector ooit gebouwd.
Terwijl foto's van IceCube vaak een gebouw op het besneeuwde oppervlak laten zien, wordt het echte werk hieronder gedaan. Het multifunctionele experiment omvat een oppervlakte-array, IceTop, een array van 81 stations die boven de snaren zitten. IceTop dient als kalibratiedetector voor IceCube en detecteert luchtdouches van primaire kosmische straling en hun flux en samenstelling.
De dichte binnenste subdetector, DeepCore, is de krachtpatser van het IceCube-experiment. Elk van de IceTop-stations bestaat uit strings die zijn bevestigd aan digitale optische modules (DOM's) die zijn opgesteld op een zeshoekig rooster met een onderlinge afstand van 410 voet (125 meter) van elkaar. Elke snaar bevat 60 DOM's van basketbalformaat. Hier, diep in het ijs, kan IceCube jagen op neutrino's die van de zon komen, van binnen de Melkweg en van buiten de melkweg. Deze spookachtige deeltjes zijn verbonden met kosmische stralen, de deeltjes met de hoogste energie die ooit zijn waargenomen.
[Verwant: Een neutrino traceren tot zijn bron: de ontdekking in afbeeldingen]
Mysterieuze deeltjes
Kosmische straling werd voor het eerst ontdekt in 1912. De krachtige uitbarstingen van straling botsen constant met de aarde en stromen vanuit alle delen van de melkweg naar binnen. Wetenschappers berekenden dat de geladen deeltjes zich moeten vormen in enkele van de meest gewelddadige en minst begrepen objecten en gebeurtenissen in het universum. De explosieve sterfte van een ster, een supernova, biedt een methode om kosmische straling te creëren; de actieve zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels een andere.
Omdat kosmische straling echter bestaat uit geladen deeltjes, werken ze samen met de magnetische velden van sterren en andere objecten die ze passeren. De velden verdraaien en verschuiven het pad van de kosmische straling, waardoor wetenschappers ze niet kunnen herleiden tot hun bron.
Dat is waar neutrino's een rol spelen. Net als kosmische straling wordt aangenomen dat de deeltjes met een lage massa zich vormen door geweld. Maar omdat neutrino's geen lading hebben, passeren ze magnetische velden zonder hun pad te veranderen en reizen in een rechte lijn vanaf hun bron.
"Om deze reden is de zoektocht naar de bronnen van kosmische straling ook de zoektocht naar neutrino's met zeer hoge energie geworden", aldus de website van IceCube.
Dezelfde kenmerken die neutrino's tot zulke goede boodschappers maken, betekenen ook dat ze moeilijk te detecteren zijn. Elke seconde passeren ongeveer 100 miljard neutrino's een vierkante centimeter van je lichaam. De meeste komen van de zon en zijn niet energiek genoeg om door IceCube te worden geïdentificeerd, maar sommige zijn waarschijnlijk buiten de Melkweg geproduceerd.
Neutrino's spotten vereist het gebruik van zeer helder materiaal zoals water of ijs. Wanneer een enkele neutrino in een proton of neutron in een atoom crasht, produceert de resulterende kernreactie secundaire deeltjes die een blauw licht afgeven dat bekend staat als Cherenkov-straling.
"De neutrino's die we detecteren, zijn als vingerafdrukken die ons helpen de objecten en verschijnselen te begrijpen waar de neutrino's worden geproduceerd", aldus het IceCube-team.
Zware omstandigheden
De zuidpool is misschien niet de ruimte, maar brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee. Ingenieurs begonnen met de bouw van IceCube in 2004, een zevenjarig project dat volgens planning in 2010 werd voltooid. De bouw kon slechts gedurende een paar maanden per jaar plaatsvinden tijdens de zomer van het zuidelijk halfrond, die van november tot februari plaatsvindt.
Voor het boren van 86 gaten was een speciaal type boor nodig - twee eigenlijk. De eerste schoof door de firn, een laag verdichte sneeuw, tot ongeveer 50 meter. Vervolgens smolt een hogedruk-warmwaterboor door het ijs met snelheden van ongeveer 2 meter (6,5 voet) per minuut, tot een diepte van 2450 meter (8038 voet of 1,5 mijl).
"Samen konden de twee boren consistent bijna perfecte verticale gaten produceren, klaar voor gebruik van instrumentatie met een snelheid van één gat om de twee dagen", aldus IceCube.
De snaren moesten vervolgens snel in het gesmolten water worden geplaatst voordat het ijs opnieuw bevroor. Het bevriezen nam enkele weken in beslag om te stabiliseren, waarna de instrumenten onaantastbaar bleven, permanent in het ijs bevroren en niet meer te repareren waren. Het uitvalpercentage van de instrumenten is extreem traag, met minder dan 100 van de 5.500 sensoren die momenteel niet werken.
IceCube begon vanaf het begin waarnemingen te doen, zelfs terwijl andere snaren werden ingezet.
Toen het project voor het eerst begon, waren onderzoekers volgens Halzen onduidelijk hoe ver licht door het ijs zou reizen. Met die informatie goed ingeburgerd, werkt de samenwerking toe naar IceCube-Gen2. Het verbeterde observatorium zou ongeveer 80 extra detectorstrengen toevoegen, terwijl het inzicht in de eigenschappen van ijs onderzoekers in staat zal stellen de sensoren verder uit elkaar te plaatsen dan hun oorspronkelijke conservatieve schattingen. IceCube-Gen2 moet de omvang van het observatorium verdubbelen voor ongeveer dezelfde kosten.
Ongelofelijke wetenschap
IceCube begon te jagen op neutrino's voordat het voltooid was, en produceerde onderweg verschillende intrigerende wetenschappelijke resultaten.
Tussen mei 2010 en mei 2012 heeft IceCube 28 zeer energetische deeltjes waargenomen. Halzen schreef het vermogen van de detector om deze extreme gebeurtenissen te observeren toe aan de voltooiing van de detector.
"Dit is de eerste aanwijzing dat neutrino's met zeer hoge energie van buiten ons zonnestelsel komen, met energieën die meer dan een miljoen keer zo hoog zijn als die waargenomen in 1987 in verband met een supernova in de Grote Magelhaense Wolk", zegt Halzen in een verklaring. 'Het is verheugend om eindelijk te zien waar we naar op zoek waren. Dit is het begin van een nieuw tijdperk van astronomie.'
In april 2012 werd een paar neutrino's met hoge energie gedetecteerd en kreeg de bijnaam Bert en Ernie, naar de personages uit de kindertelevisieshow "Sesamstraat". Met energieën van meer dan 1 peta-elektronvolt (PeV) waren het paar de eerste definitief gedetecteerde neutrino's van buiten het zonnestelsel sinds de supernova van 1987.
'Het is een grote doorbraak', zegt Uli Katz, een deeltjesfysicus aan de Universiteit van Erlangen-Neurenberg in Duitsland, die niet betrokken was bij het onderzoek. "Ik denk dat het een van de absoluut belangrijkste ontdekkingen is in de astro-deeltjesfysica", vertelde Katz aan Space.com.
Deze waarnemingen hebben ertoe geleid dat IceCube de Physics World 2013 Breakthrough of the Year heeft gewonnen.
Een andere grote uitbetaling vond plaats op 4 december 2012, toen het observatorium een gebeurtenis ontdekte die de wetenschappers Big Bird noemden, ook uit 'Sesamstraat'. Big Bird was een neutrino met een energie van meer dan 2 biljard elektronvolt, meer dan een miljoen miljoen keer groter dan de energie van een tandheelkundige röntgenfoto, verpakt in een enkel deeltje met minder dan een miljoenste massa van een elektron. Destijds was het de meest energetische neutrino ooit gedetecteerd; vanaf 2018 staat het nog steeds op de tweede plaats.
Met behulp van NASA's Fermi Gamma-ray Space-telescoop bonden wetenschappers Big Bird aan de zeer energetische uitbarsting van een blazar die bekend staat als PKS B1424-418. Blazars worden aangedreven door superzware zwarte gaten in het centrum van een sterrenstelsel. Terwijl het zwarte gat materiaal opslokt, wordt een deel van het materiaal afgebogen tot stralen met zoveel energie dat ze de sterren in de melkweg overtreffen. De stralen versnellen materie en creëren neutrino's en de fragmenten van atomen die kosmische straling veroorzaken.
Vanaf de zomer van 2012 scheen de blazar tussen de 15 en 30 keer helderder in gammastraling dan het gemiddelde vóór de uitbarsting. Een langetermijn observatieprogramma genaamd TANAMI, dat routinematig bijna 100 actieve sterrenstelsels in de zuidelijke hemel controleerde, onthulde dat de kern van de straal van het sterrenstelsel tussen 2011 en 2013 vier keer helderder was geworden.
"Geen van onze andere sterrenstelsels die TANAMI gedurende de looptijd van het programma heeft waargenomen, heeft zo'n dramatische verandering ondergaan", zei Eduardo Ros van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) in Duitsland in een verklaring uit 2016. Het team berekende dat de twee evenementen met elkaar verbonden waren.
"Rekening houdend met alle waarnemingen, lijkt de blazar over middelen, motieven en kansen te beschikken om de Big Bird-neutrino af te vuren, wat hem onze hoofdverdachte maakt", zegt Matthias Kadler, professor astrofysica aan de Universiteit van Würzburg in Duitsland."
In juli 2018 kondigde IceCube aan dat het voor het eerst neutrino's had gevolgd tot aan hun bron blazar. In september 2017 konden onderzoekers dankzij een nieuw geïnstalleerd waarschuwingssysteem dat binnen enkele minuten na detectie van een sterke neutrinokandidaat naar wetenschappers over de hele wereld uitzond, hun telescopen snel in de richting draaien waarin het nieuwe signaal afkomstig was. Fermi waarschuwde onderzoekers voor de aanwezigheid van een actieve blazar, bekend als TXS-0506 + 056, in hetzelfde deel van de lucht. Nieuwe waarnemingen bevestigden dat de blazar oplaaide en meer dan normaal uitbarstingen van energie uitzond.
Voor het grootste deel is TXS een typische blazar; het is een van de 100 helderste blazars die Fermi heeft ontdekt. Hoewel de 99 anderen ook slim zijn, hebben ze neutrino's niet naar IceCube gesmeten. In de afgelopen maanden is TXS wel honderd keer sterker geworden, lichter geworden en gedimd dan in voorgaande jaren.
"Door die hoogenergetische neutrino te detecteren die door IceCube is gedetecteerd terug naar TXS 0506 + 056, is dit de eerste keer dat we een specifiek object hebben kunnen identificeren als de waarschijnlijke bron van zo'n hoogenergetische neutrino", Gregory Sivakoff, van de universiteit van Alberta in Canada, zei in een verklaring.
IceCube is nog niet klaar. Het nieuwe waarschuwingssysteem houdt astronomen de komende jaren scherp. Het observatorium heeft een geplande levensduur van 20 jaar, dus er is nog minstens een decennium aan ongelooflijke ontdekkingen afkomstig van het observatorium van de Zuidpool.
