Portal v vesolje

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Bliski v Antarktičnem ledu

E-pošta natisni PDF

Na Južnem polu, zakopan globoko pod površjem ledenika, se nahaja observatorij LedenaKocka. Gromozanski sistem detektorjev išče izmuzljive nevtrine, ki spremljajo visokoenergijske astronomske pojave. Te majhne delce izpljuvajo supermasivne črne luknje po obedu, verjetno pa nastanejo tudi pri uničujočih eksplozijah zvezd. LedenaKocka je eden izmed glavnih razlogov, da so znanstveniki pripravljeni potovati na konec sveta in živeti v deželi večnega ledu in snega.

 

 

Piše: Jure Japelj

 

Prav na Južnem polu stoji raziskovalna postojanka Amundsen-Scott South Pole, poimenovana po Norvežanu Roaldu Amundsenu in Angležu Robertu Scottu, ki sta na začetku dvajsetega stoletja skorajda istočasno osvojila ta odročen del sveta. Postojanka stoji na planoti ledenika na nadmorski višini 2700 metrov. Daleč stran od človeške aktivnosti in s tem povezanih motenj raziskovalci na postojanki izvajajo številne poskuse.

Življenje na Južnem polu ni mačji kašelj. Tako kot drugje na Zemlji, tudi na Južnem polu noč sledi dnevu—le da dan in noč trajata pol leta! Predstavljajte si šestmesečno zimo, ko se temperature spustijo do -70 stopinj Celzija. Neprestana tema in snežni meteži. Med peklenskim polletjem skupina nekaj ducat znanstvenikov skrbi za eksperimente. Popolnoma odrezani od sveta ti ljudje čakajo na prvi sončni žarek, ko se zima prevesi v poletje, in se ponovno vzpostavi letalska povezava s preostalim svetom.

Raziskovalna postojanka Amundsen-Scott South Pole. Vir

 

Raznoliki poskusi se na Južnem polu izvajajo že desetletja. Klimatologi opazujejo zrak nad Antarktiko in raziskujejo kako sevanje s Sonca, različni plini in drobni delci vplivajo na Zemljino klimo. Seizmologi beležijo šibke potresne sunke. Astronomi opazujejo mikrovalovno sevanje, ki prihaja iz globočin vesolja. Med vsemi temi eksperimenti pa ne bi nikoli uganili, da se globoko pod površjem nahaja eden izmed največjih observatorijev na svetu. Observatorij nevtrinov LedenaKocka (ang. IceCube Neutrino Observatory) je bil zgrajen z enim samim namenom: najti majcene nevtrine.

Nevsiljivi nevtrini

Nevtrini so delci brez električnega naboja in z izjemno majhno maso. Nastanejo kot stranski produkt številnih procesov v naravi, kot so jedrske reakcije v zvezdah in jedrskih reaktorjih, radioaktivni razpadi jeder in eksplozije supernov. Sonce je najradodarnejši vir nevtrinov na Zemlji. Vroče Sončevo jedro je prava jedrska tovarna, kjer protoni in jedra lahkih kemijskih elementov švigajo naokoli z visoko hitrostjo, se zaletavajo in tvorijo nova, težja jedra. Pri takšnih reakcijah nastanejo nevtrini. Sončevo jedro je ogromno, posledično je tudi reakcij veliko in pridelek nevtrinov zavidljiv. Ne da bi se zavedali plavamo v toku nevtrinov s Sonca; na desetine milijard nevtrinov potuje skozi vsak kvadratni centimeter našega telesa vsako sekundo.

Ker smo ljudje še vedno tukaj, nevtrini očitno neradi reagirajo s preostalo snovjo. Brez večjih težav se izkopljejo iz Sonca, prehod Zemlje je za njih mala malica, in večina tako neovirano nadaljuje pot globoko v vesolje. Znanstveniki si pri tem belijo glave: kako detektirati delec, ki hoče ostati neviden?

No, povsem nevidni nevtrini le niso. Čeprav je interakcija med nevtrini in snovjo izjemno redka, se včasih zgodi, da nevtrino oplazi atom ali molekulo. Pri tem nastane eden izmed nabitih delcev: elektron, muon ali delec tau. Takšen delec pa je lažje zaznati. Ker so reakcije med nevtrini in snovjo tako redke, moramo opazovati velik volumen snovi, da povečamo verjetnost detekcije. V kubičnem kilometru ledu pričakujemo, da se bo kakšen nevtrino slej ko prej ujel v past. In tako je bil zgrajen observatorij LedenaKocka.

Shematični prikaz LedeneKocke. Glavni del z detektorji se nahaja na globini med 1500 in 2500 metrov pod ledom. Vir

 

LedenaKocka in delci, hitrejši od svetlobe

Glavni del Observatorija LedenaKocka sestavlja 86 žic, na katerih je postavljena vrsta detektorjev. Inženirji so morali v Antarktični led za vsako žico zvrtati 2500 metrov globoko vrtino, v katero so postavili detektorje. Ti se nahajajo na globini med 1500 in 2500 metrov. Nato so pustili, da vrtina zopet zamrzne. Od takrat naprej so detektorji nedostopni in obsojeni, da za večno ostanejo zamrznjeni v ledu.

Reakcija med nevtrinom in molekulo vode proizvede nabit delec; dektorji LedeneKocke najlažje zaznajo delec muon, zato se osredotočimo na ta tip delca. Detektorji ne zaznajo delca samega, temveč svetlobo, ki jo hitro gibajoči se delec seva. Zgodi se namreč, da muon skozi led potuje tako hitro, da ga niti svetloba ne more ujeti—potuje hitreje od svetlobe. Kako je to mogoče, če pa nas učijo, da nič ne more potovati hitreje od svetlobe? Muon ne krši nobenega zakona fizike. Teorija namreč pravi, da delci ne morejo potovati hitreje od svetlobe v vakuumu, torej praznem prostoru. A svetlobi se hitrost zmanjša, ko potuje skozi snov. V tem primeru se lahko zgodi, da delec skozi led potuje hitreje od svetlobe, pri čemer seva Čerenkovo sevanje.

Dim lights

Kot analogijo za Čerenkovo sevanje si vzemimo pok, ki nastane pri nadzvočnem potovanju. Zvok počasnega letala potuje v vse smeri. Če potuje dovolj nizko, bomo ta zvok slišali kot oddaljeno hrumenje. A ko letalo potuje z nadzvočno hitrostjo, zvok ne more potovati v smeri gibanja letala, ker je enostavno prepočasen. Za letalom se ustvari stožec povečanega tlaka ali udarni val. Ko nas rob stožca doseže na tleh, slišimo glasen pok. Čerenkovo sevanje si lahko predstavljamo kot udarni val svetlobe.

Detektorji na žicah observatorija iščejo Čerenkovo sevanje, ki tipično sveti v modri ali ultravijolični svetlobi. Ko detektorji zaznajo sevanje, izmerijo moč signala, in vrednost pošljejo na površje, kjer ga znanstveniki zabeležijo. Sevanje vsakega muona zazna več detektorjev na različnih žicah in različnih globinah. Znanstveniki s pomočjo bogate količine podatkov izmerijo energijo nevtrina in določijo smer, iz katere je nevtrino priletel.

Štetje nevtrinov in prvi identificiran vir

Različni procesi proizvajajo nevtrine z različnimi energijami. Observatorij LedenaKocka je bil zgrajen izključno za iskanje nevtrinov izjemno visokih energij. Sončevi nevtrini in nevtrini, ki nastanejo pri eksploziji supernove, imajo premajhne energije za LedenoKocko (če bi supernova eksplodirala v naši Galaksiji, bi njene nevtrine Ledena Kocka mogoče lahko detektirala posredno). Za nizkoenergijske nevtrine imamo na Zemlji druge, primernejše observatorije.

Do sedaj je bilo z LedenoKocko detektiranih le peščica nevtrinov, za katere zatrdno lahko trdimo, da prihajajo iz vesolja. Leta 2013 je detektor zaznal tri nevtrine: par nevtrinov, poimenovanih Bert in Ernie, ter nepovezan visokoenergijski nevtrino Big Bird. Kateri procesi v vesolju so proizvedli te nevtrine na žalost ostaja neznanka.

Leta 2017 je nevtrino pustil močno sled na detektorjih. Nevtrino je verjetno izseval oddaljeni blazar. Vir

 

Leta 2017 je observatorij detektiral nov visokoenergijski nevtrino. Znanstveniki so uspeli precej natančno določiti smer, iz katere je nevtrino priletel. O odkritju so nemudoma obvestili kolege astronome, ki so v ta del neba usmerili svoje teleskope. Na svoje veliko zadovoljstvo so našli aktiven blazar, oddaljen 5.7 milijard svetlobnih let. Blazar?

Večina galaksij v vesolju ima v svojem središču supermasivno črno luknjo. Na primer, črna luknja v središču Galaksije se ponaša z maso več milijonov mas Sonca. Okoli črne luknje se gibljejo oblaki plina in zvezde, ki se ji včasih malo preveč približajo. Črna luknja oblake in zvezde raztrga, pri tem pa v vesolje izpljuva manjše delce z visoko hitrostjo: nastane curek snovi, ki se giblje stran od črne luknje. Curek seva svetlobo; hitreje kot se curek giblje, bolj je svetloba izsevana v smer gibanja curka. Če je curek usmerjen proti nam, bo izjemno svetel. Takšnemu viru svetlobe pravimo blazar.

Omenjeni blazar je bil izjemno aktiven ob detekciji nevtrina, zato je zelo verjetno, da je ustvaril tudi omenjeni nevtrino. Zanimivo je, da je blazar šele tretji astrofizikalni vir, ki je zatrdno povezan z detekcijo nevtrina. Pred tem smo detektirali nevtrine s Sonca, in nevtrine, ki so nastali v eksploziji bližnje supernove SN 1987A.

Nadaljujemo z iskanjem – tranzienti?

Znanstveniki upajo, da odkrijejo še več nevtrinov iz vesolja. Omenja se možnost, da bi nevtrini lahko nastali pri izbruhih sevanja gama ali pri zlitju nevtronskih zvezd. Oba pojava sta tako imenovana tranzientna pojava, ki zasvetita samo za kratek čas. Observatorij LedenaKocka je povezan v mrežo observatorijev, ki iščejo in opazujejo tranzientne pojave v celotnem elektromagnetnem spektru, in celo s pomočjo gravitacijskih valov.

Živimo v izredno zanimivih časih, saj si še pred nekaj leti nismo predstavljali, da bi lahko astronomski pojav opazovali na tako različne načine: preko svetlobe od radijskih valov do sevanja gama, preko nevtrinov ter gravitacijskih valov. Še vedno čakamo na pojav, ki bo detektiran prav v vseh signalih. Najbolj zabavno pri tranzientih je, da nikoli ne vemo, kdaj nas čaka naslednje veliko odkritje. Mogoče že danes?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Podporniki:

     


Dan in noč
Dan in noč
Zvezdna karta
Zvezdna karta
Observatorij Črni Vrh
Luna
Sonce - Mauna Loa
Sonce - Mauna Loa
Sonce - SOHO
Sonce - SOHO Lasco C2 EIT 284 Lasco C3 MDI
Sončne pege
Sončne pege
Severni in južni sij
aurora

Efemeride
14.08.2020 01:38 CEST
13.08.2020 23:38 UT
Sonce vzide 06:00 
zaide 20:12 
Luna vzide 00:57 
zaide 16:52 
Planeti (vir: Spika)
Angleški portal v vesolje
Amaterska slika dneva
Amaterska slika dneva
NASA - Slika dneva
ESO - Slika tedna
Hubble - Slika tedna
Kje je ISS?
Kje je ISS?
Osončje
Osončje
Zmaga.com
Zmaga.com
META znanost
META znanost