南極大陸に衝突するゴースト粒子が天文学を永遠に変える可能性がある理由

あなたが座っている場所から約 4,700 万光年離れたところにある、NGC 1068 という名前のブラック ホールを含んだ銀河の中心は、謎めいた粒子の流れを吐き出しています。 それらはニュートリノであり、その存在の痕跡をほとんど残さずに私たちの宇宙に出没するとらえどころのない「ゴースト粒子」としても知られています.

誕生直後、これらの目に見えないビットの束は、宇宙の広がりを横切って急降下します。 彼らは、私たちが見ることのできる明るい星々のそばを勢いよく飛び回り、まだ発見されていない驚異に満ちた宇宙のポケットを通り過ぎます。 彼らは時々、地球の南極に到達し、地下にドリルダウンするまで、飛んで飛んで飛んでいます。 ニュートリノの旅はシームレスです。

しかし、科学者たちは彼らが到着するのを辛抱強く待っています。

南極大陸の地下 2 km (1.24 マイル) 以上にある約 10 億トンの氷の中に、アイスキューブ ニュートリノ天文台があります。 ニュートリノハンター、あなたはそれを呼ぶかもしれません。 ニュートリノが一団を極寒の大陸に移しても、IceCube は警戒を続けます。

サイエンス誌に金曜日に掲載された論文で、この野心的な実験の背後にある国際チームは、NGC 1068 が位置する場所の周囲から 79 個の「高エネルギー ニュートリノ放出」が発生している証拠を発見したことを確認し、小説への扉を開きました。 — 物理学の種類。 科学者たちはそれを「ニュートリノ天文学」と呼んでいます。

それは、既存の支部ではできないことを実行できる天文学の支部になるでしょう。

夕暮れ時の IceCube Lab の正面図。星空が頭上に天の川を垣間見せ、地平線に太陽の光が残っています。

マーティン・ウルフ、IceCube/NSF

今日まで、物理学者は太陽から来るニュートリノしか示していませんでした。 私たちの惑星の大気; 放射性崩壊と呼ばれる化学メカニズム。 超新星; そして — 2017 年の IceCube の最初のブレークスルーのおかげで — ブレーザー、つまり貪欲な超大質量ブラック ホールが直接地球に向けられました。 TXS 0506+056と呼ばれるボイド。

この新たに発見されたニュートリノ源により、私たちは粒子の物語の新しい時代に入りつつあります. 実際、研究チームによると、NGC 1068 に由来するニュートリノは、最大で数百万、数十億、もしかしたらさらにある可能性があります。 太陽や超新星に根ざしたニュートリノが持つエネルギー量。 一般に、このような幽霊のようなビットは非常に強力でありながら回避するため、毎秒、何兆ものニュートリノが体を通り抜けるため、これらは驚くべき数字です. あなたにはわかりません。

ニュートリノを止めようとすれば、幅 1 光年の鉛のブロックで戦う必要がありますが、それでも成功する可能性はわずかです。 したがって、これらの粒子を利用することで、NCG 1068 のバージョンであろうとなかろうと、通常は手の届かないところにある宇宙の領域に侵入できるようになる可能性があります。

それで?

この大きな瞬間は、1956 年まで存在すら発表されなかった粒子の証拠を私たちに与えてくれるだけでなく、ニュートリノが私たちの宇宙の舞台裏への鍵のようなものだからです.

それらは現象を明らかにし、他の手段では対処できないパズルを解く能力を持っています。これが、科学者がニュートリノ天文学を開発しようとする主な理由です。

「宇宙は私たちと通信するための複数の方法を持っています」と、国立科学財団のデニス・コールドウェルとIceCubeチームのメンバーは木曜日に記者団に語った. 「私たちが星からの光として見ている電磁放射、空間構造を揺るがす重力波、そして局所的な発生源から放出される陽子、中性子、電子などの素粒子。

「これらの素粒子の1つは、宇宙に浸透したニュートリノでしたが、残念ながら、ニュートリノを検出することは非常に困難です。」

実際、銀河 NGC 1068 とその巨大なブラック ホールでさえ、通常は塵とガスの厚いベールで覆い隠されているため、標準的な光学望遠鏡や機器では解析が困難になっています。 NASA のジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、その赤外線の目により、この場合有利になる可能性がありますが、ニュートリノはさらに優れた方法である可能性があります。

私たちの宇宙をフィルタリングするこのような不透明なスクリーンの背後で生成されると予想されるこれらの粒子は、それらのスクリーンの背後から宇宙情報を運び、本質的に他の物質と相互作用せずに長距離をズームし、とらえどころのない宇宙空間の隅々についての手つかずの自然な情報を人類に届けることができます。

ミュンヘン工科大学で IceCube チーム メンバーの Elisa Resconi 氏は、NGC 1068 について次のように述べています。

アイスキューブ

この芸術的なレンダリングでは、南極にある IceCube Lab の実際の画像に基づいており、DOM と呼ばれる IceCube センサーによって氷の下で検出されるニュートリノが遠くのソースから放出されます。

アイスキューブ/NSF

また、TXS 0506+056 に似たブレーザーよりも、NGC 1068 に似た銀河 (セイファート銀河として分類される) の方がはるかに多いことも注目に値します。 これは、IceCube の最新の発見が、ニュートリノ天文学者にとって天文台の重要な発見よりも大きな前進であることを意味します。

おそらく、宇宙全体に拡散しているニュートリノの大部分は、NGC 1068 ドッペルゲンガーに根ざしています。 しかし、大まかに言えば、ニュートリノのメリットは、発生源だけではありません。

ウィスコンシン大学マディソン校の Justin Vandenbroucke と IceCube チームのメンバーが言うように、これらの幽霊は、天文学の 2 つの主要な謎を解決するのに適しています。

まず第一に、私たちの宇宙の豊富な銀河は、その中心に重力的に巨大な空隙を誇っており、ブラックホールは私たちの太陽の数百万倍から数十億倍の質量に達しています. そして、これらのブラック ホールが活動すると、内部から光のジェットを放出し、銀河自体のすべての星を凌駕するほどの明るさを放ちます。 「それがどうして起こるのか、私たちは理解できません」とヴァンデンブロークは簡単に言った。 ニュートリノは、ブラックホール周辺の領域を研究する方法を提供する可能性があります。

2 つ目は、宇宙線の一般的でありながら永続的な難問です。

宇宙線がどこから来るのかはよくわかっていませんが、これらの粒子の列は、CERN のような人間が構築した粒子加速器を使用して地球上で到達できるエネルギーの数百万倍以上のエネルギーに到達します。

「ニュートリノには何らかの役割があると考えています」と Vandenbroucke 氏は述べています。 「非常に明るい銀河に動力を与えるブラックホールと宇宙線の起源の2つの謎を解明するのに役立つ何か」.

一握りを捕まえるのに10年

明確にするために言うと、IceCube はニュートリノを正確にトラップするわけではありません。

基本的に、この天文台は、ニュートリノがそれを覆う氷と相互作用するたびに私たちに教えてくれます. 「ニュートリノは物質とほとんど相互作用しない」とヴァンデンブロークは強調した。 「しかし、彼らは時々相互作用します。」

何百万ものニュートリノが IceCube が設置された氷の領域に飛び込むと、少なくとも 1 つが氷の小片にぶつかり、砕けて閃光を発します。 IceCube センサーはその閃光を捉えて信号を地表に送信し、通知を何百人もの科学者が分析します。

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IceCube 検出器のレンダリングは、ニュートリノと氷の分子との相互作用を示しています。

アイスキューブコラボ/NSF

10 年間の閃光データにより、チームはすべてのニュートリノが空のどこから来ているように見えるかをほぼマッピングすることができました。 銀河NGC 1068が配置されている場所に、ニュートリノ放出の密集した領域があることがすぐに明らかになりました。

しかし、そのような証拠があっても、レスコーニ氏は、チームは「シャンパンを開ける時ではないことを知っていた。なぜなら、答えなければならない基本的な質問が1つ残っているからだ。この一致は偶然に何回起こったのか?そのような物体から来たのか?」と述べた。

IceCube による空の最新の結果からの図。 ニュートリノが宇宙全体でどこから来ているように見えるかを示し、発生源として最も密度の高い場所を特定します。

ニュートリノが宇宙のどこから来ているように見えるかを示す、北半球の点源のスキャンのスカイマップ。 また、NGC 1068 の円は、北天で全体的に最もホットなスポットと一致しています。

アイスキューブ コラボレーション

したがって、問題を可能な限り具体的にし、この銀河が幽霊を吐き出していることを本当に証明するために、「同じ実験を5億回生成しました」とResconi氏は述べています.

その上で、私が想像できるのは、ヴーヴのボトルがついにポップされたということだけです。 狩りは終わっていませんが。

ジョージア工科大学の Ignacio Taboada と IceCube チーム メンバーは、「ニュートリノの新しい発生源を見つけることに関しては、まだ表面をなぞり始めたにすぎません」と述べています。 「NGC 1068 よりもはるかに深い場所に、他にも多くの発生源が隠されているに違いありません。」

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