約40億年前、惑星地球がまだ初期段階にあったとき、太陽の約10億倍の質量をもつブラックホールの軸は、2017年9月22日に惑星が存在する場所を正しく指していました。
軸に沿って、粒子の高エネルギージェットが光子またはニュートリノを光の速度またはその近くで私たちの方向にレースで送りました。 南極のIceCubeニュートリノ天文台は、これらの亜原子粒子の1つであるIceCube-170922Aニュートリノを検出し、オリオン座の小さな空にまでさかのぼって、10億個の大きさのフレアブラックホールを特定しました。太陽、地球から37億光年、blazar TXS 0506 + 056として知られています。 Blazarsはしばらく前から知られています。 はっきりしていなかったのは、高エネルギーのニュートリノを生成できるということでした。 さらにエキサイティングなのは、そのようなニュートリノがその発生源まで追跡されたことがないことです。
2018年7月12日に国立科学財団によって発表された高エネルギーニュートリノの宇宙源を初めて発見することは、ニュートリノ天文学の新時代の幕開けを告げます。 先駆的な物理学者が最初にハワイの海岸から大規模な高エネルギーニュートリノ検出器を構築しようとした1976年以来、適合して追求を開始し、IceCubeの発見は、何百人もの科学者やエンジニアによる長く困難なキャンペーンの勝利の結論を示しています。同時に天文学のまったく新しい分野の誕生。
オリオン座の星座。火傷の位置にブルズアイがあります。 （シルビアブラボーギャラルト/ Project_WIPAC_Communications、CC BY-ND） ニュートリノと光という2つの異なる天文メッセンジャーの検出は、いわゆるマルチメッセンジャー天文学が、宇宙で最もエネルギー的な現象のいくつかを特定および理解するために必要な力をいかに提供できるかを示す強力なデモンストレーションです。 ニュートリノの発生源として発見されてから1年も経っていないため、blazar TXS 0506 + 056は徹底的な調査の対象となっています。 ニュートリノの関連する流れは、ブラックホールの近くで働く物理的プロセスと、オリオンの肩のすぐ近くの位置から地球にほぼ直接放射されるその強力なジェットの放射への深い洞察を提供し続けます。
この驚くべき発見に関与した物理学者と天文学者の世界的なチームの3人の科学者として、私たちは、その非常に大胆さのためにこの実験に参加するように引き付けられました。氷の深さ1.5マイルに開けられた穴に繊細な機器を配置し、すべてを機能させました。 そしてもちろん、真新しい種類の望遠鏡を覗き込んで、それが天について明らかにするものを見る最初の人々になるというスリリングな機会のために。
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標高が9, 000フィートを超え、夏の平均気温が氷点下-30℃を超えることはめったにないため、南極点は日焼け止めが必要な日当たりの良い明るい場所を訪れることを自慢する以外に、何もするのに理想的な場所としてあなたを攻撃しないかもしれませんあなたの鼻孔。 一方、高度が数十万年にわたる自然の降雪から作られた超純粋な氷の厚いコートによるものであり、低温によってすべてがうまく凍結されていることに気づいたら、ニュートリノにとって驚くことではないかもしれません望遠鏡の建築者にとって、科学的な利点は禁止されている環境よりも重要です。 南極点は現在、世界最大のニュートリノ検出器であるIceCubeの本拠地です。
2015年3月：南極大陸のアムンセン-スコット南極基地のIceCube研究所は、検出器から生データを収集するコンピューターをホストしています。 衛星帯域幅の割り当てにより、このラボでは、第1レベルの再構築とイベントフィルタリングがほぼリアルタイムで行われます。 （Eric Beiser、IceCube / NSF） これらの基本粒子の約1, 000億個が毎秒サムネイルを通過し、単一の地球の原子と相互作用することなく地球全体を楽々と滑走するため、このような精巧な検出器が必要なのは奇妙に思えるかもしれません。
実際、ニュートリノは2番目に多く遍在する粒子であり、ビッグバンから残された宇宙マイクロ波背景光子に次いで2番目です。 それらは、既知の基本粒子の4分の1を構成します。 しかし、彼らは他の問題とほとんどやり取りしないため、間違いなく最もよく理解されていません。
これらのとらえどころのない粒子の一握りを捕らえ、その原因を発見するために、物理学者は氷のような光学的に透明な材料で作られた大きな-キロメートル幅の-検出器を必要とします。 幸いなことに、母なる自然は、私たちが検出器を構築できるこの澄んだ氷のスラブを提供しました。
IceCube Neutrino Observatoryは、深さ1, 450〜2, 450メートルに5, 160のデジタル光学モジュール（DOM）を備えた約1立方キロメートルの透明な南極の氷を計測します。 天文台には、高密度に計測されたサブディテクター、DeepCore、および表面空気シャワーアレイ、IceTopが含まれています。 （フェリペペドレロス、IceCube / NSF） 南極では、数百人の科学者とエンジニアが、カスタム設計の温水ドリルで極地の氷冠に溶けた深さ1.5マイルの86個の穴に5, 000個以上の個別の光センサーを構築して配備しました。 7つの南半球の夏のシーズンにわたって、すべてのセンサーを設置しました。 IceCubeアレイは2011年初頭に完全にインストールされ、それ以来継続的にデータを取得しています。
ニュートリノが飛んで、青みがかったチェレンコフ光の薄暗いパターンを生成するいくつかの地球粒子と相互作用するときに、この氷に結合した検出器の配列は非常に正確に感知できます。
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ニュートリノ検出器のアキレス腱は、近くの大気に由来する他の粒子も、青みがかったチェレンコフ光のこれらのパターンを引き起こす可能性があるということです。 これらの誤った信号を排除するために、検出器は氷の奥深くに埋め込まれ、干渉が敏感な検出器に到達する前に干渉を除去します。 しかし、ほぼ1マイルの固体の氷の下にいるにもかかわらず、IceCubeは、毎秒約2, 500個のそのような粒子の猛攻撃に直面しています。それぞれの粒子はニュートリノによるものと考えられます。
興味深い、実際の天体物理ニュートリノ相互作用（ブラックホールからのニュートリノのような）が月に1回程度ホバリングする予想される速度で、私たちは気難しい針のような干し草の山の問題に直面しました。
IceCube戦略は、起源が大気である可能性が非常に低いような高エネルギーのイベントのみを調べることです。 これらの選択基準と数年のデータを使用して、IceCubeは長年求めてきた天体ニュートリノを発見しましたが、数十個の高エネルギーニュートリノの中から個々のソース（アクティブな銀河核やガンマ線バーストなど）を特定できませんでした捕獲した。
実際の情報源を引き出すために、IceCubeは2016年4月にペンシルベニア州のAstrophysical Multimessenger Observatory Networkの支援を受けてニュートリノ到着アラートの配信を開始しました。 次の16か月の間に、11個のIceCube-AMONニュートリノアラートが、南極点で検出されてからわずか数分または数秒後に、AMONおよびガンマ線座標ネットワークを介して配信されました。
2017年9月22日に、IceCubeは高エネルギーニュートリノの検出について国際天文学コミュニティに警告しました。 地球上および宇宙にある約20の観測所が追跡観測を行い、科学者が非常に高エネルギーのニュートリノ、つまり宇宙線の源とみなすものを特定することができました。 ニュートリノに加えて、電磁スペクトル全体で行われた観測には、ガンマ線、X線、光学および電波放射が含まれていました。 これらの天文台は、世界中の国の資金提供機関によってサポートされている合計1, 000人以上の科学者を擁する国際チームによって運営されています。 （Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube） **********
このアラートは、NASAのニールゲールススウィフト天文台でのX線および紫外線の自動観測シーケンスをトリガーし、NASAのフェルミガンマ線宇宙望遠鏡および核分光望遠鏡アレイ、および世界中の他の13の観測所でのさらなる研究につながりました。
Swiftは、ニュートリノイベントの原因としてフレアブラザーTXS 0506 + 056を特定した最初の施設でした。 フェルミ大面積望遠鏡は、その危険がフレア状態にあり、過去よりも多くのガンマ線を放出していると報告しました。 ニュースが広がるにつれて、他の観測所が熱狂的に時流に飛び乗り、幅広い観測が行われました。 MAGIC地上望遠鏡は、私たちのニュートリノが非常に高エネルギーのガンマ線（それぞれX線の約1000万倍のエネルギー）を生成する領域に由来することに注目しました。 他の光学観測では、ブラザーTXS 0506 + 056までの距離を測定することでパズルを完成させました。地球から約40億光年です。
高エネルギーニュートリノの宇宙源の最初の同定で、天文学の木の新しい枝が発芽しました。 高エネルギーのニュートリノ天文学がより多くのデータ、観測所間の調整の改善、より高感度の検出器で成長するにつれて、ニュートリノの空をより正確にマッピングできるようになります。
そして、宇宙の理解におけるエキサイティングな新しいブレークスルーがそれに続くことを期待します。例えば、驚くほどエネルギッシュな宇宙線の起源の世紀の謎を解きます。 量子重力の特定の理論によって予測されるように、時空自体が非常に小さな距離スケールでの量子ゆらぎで、泡立っているかどうかをテストします。 TXS 0506 + 056ブラックホールのような宇宙加速器が、どのように粒子をそのような息をのむほど高いエネルギーに加速するかを正確に把握します。
20年間、IceCube Collaborationは、高エネルギーの宇宙ニュートリノの発生源を特定するという夢を持っていました。この夢は今や現実のものになっています。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
ペンシルベニア州立大学物理学教授および天文学・天体物理学教授のダグ・カウエン
Azadeh Keivani、コロンビア大学フロンティアオブサイエンスフェロー
デレクフォックス、ペンシルベニア州立大学の天文学および天体物理学の准教授
