Circa quattro miliardi di anni fa, quando il pianeta Terra era ancora agli inizi, l'asse di un buco nero circa un miliardo di volte più massiccio del sole indicava esattamente dove sarebbe stato il nostro pianeta il 22 settembre 2017.
Lungo l'asse, un getto di particelle ad alta energia ha inviato fotoni e neutrini che correvano nella nostra direzione o vicino alla velocità della luce. L'Osservatorio del Neutrino di IceCube al Polo Sud ha rilevato una di queste particelle subatomiche - il neutrino IceCube-170922A - e l'ha rintracciata in una piccola chiazza di cielo nella costellazione di Orione e ha individuato la fonte cosmica: un buco nero in fiamme delle dimensioni di un miliardo soli, 3, 7 miliardi di anni luce dalla Terra, noto come blazar TXS 0506 + 056. I blazer sono conosciuti da tempo. Ciò che non era chiaro era che potevano produrre neutrini ad alta energia. Ancora più eccitante era che tali neutrini non erano mai stati rintracciati alla sua fonte.
Trovare la fonte cosmica di neutrini ad alta energia per la prima volta, annunciata il 12 luglio 2018 dalla National Science Foundation, segna l'alba di una nuova era dell'astronomia dei neutrini. Inseguito a singhiozzo dal 1976, quando i fisici pionieristici hanno tentato per la prima volta di costruire un rivelatore di neutrini ad alta energia su larga scala al largo della costa hawaiana, la scoperta di IceCube segna la trionfale conclusione di una lunga e difficile campagna da parte di centinaia di scienziati e ingegneri - e contemporaneamente la nascita di una branca dell'astronomia completamente nuova.
La costellazione di Orione, con un occhio di bue sulla posizione del blazar. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND) Il rilevamento di due distinti messaggeri astronomici - neutrini e luce - è una potente dimostrazione di come la cosiddetta astronomia multimessenger possa fornire la leva di cui abbiamo bisogno per identificare e comprendere alcuni dei fenomeni più energici dell'universo. Dalla sua scoperta come fonte di neutrini meno di un anno fa, il blazar TXS 0506 + 056 è stato oggetto di un intenso esame. Il suo flusso associato di neutrini continua a fornire approfondimenti sui processi fisici in atto vicino al buco nero e al suo potente getto di particelle e radiazioni, irradiato quasi direttamente verso la Terra dalla sua posizione appena fuori dalla spalla di Orione.
Come tre scienziati in un team globale di fisici e astronomi coinvolti in questa straordinaria scoperta, siamo stati attratti da partecipare a questo esperimento per la sua audacia pura, per la sfida fisica ed emotiva di lavorare a turni lunghi in una posizione brutalmente fredda mentre si inseriscono costosi, attrezzature sensibili in buche praticate a 1, 5 miglia di profondità nel ghiaccio e facendo funzionare tutto. E, naturalmente, per l'emozionante opportunità di essere le prime persone a scrutare un nuovissimo tipo di telescopio e vedere cosa rivela sui cieli.
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A un'altitudine superiore a 9.000 piedi e con temperature estive medie che raramente rompono un freddo -30 gradi Celsius, il Polo Sud potrebbe non considerarti il luogo ideale per fare qualsiasi cosa, a parte vantarti di visitare un luogo così soleggiato e luminoso che hai bisogno di protezione solare per le tue narici. D'altra parte, una volta che ti rendi conto che l'altitudine è dovuta a una spessa coltre di ghiaccio ultrapuro prodotta da diverse centinaia di migliaia di anni di nevicate incontaminate e che le basse temperature lo hanno tenuto ben ghiacciato, allora potrebbe non sorprenderti che per il neutrino costruttori di telescopi, i vantaggi scientifici superano l'ambiente ostile. Il Polo Sud è ora la sede del più grande rivelatore di neutrini al mondo, IceCube.
Marzo 2015: l'IceCube Laboratory presso la South Pole Station di Amundsen-Scott, in Antartide, ospita i computer che raccolgono dati grezzi dal rilevatore. A causa delle allocazioni della larghezza di banda satellitare, il primo livello di ricostruzione e filtro degli eventi avviene quasi in tempo reale in questo laboratorio. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Può sembrare strano che abbiamo bisogno di un rivelatore così elaborato dato che circa 100 miliardi di queste particelle fondamentali passano attraverso la tua miniatura ogni secondo e scivolano senza sforzo attraverso l'intera Terra senza interagire con un singolo atomo terrestre.
In effetti, i neutrini sono le seconde particelle più onnipresenti, seconde solo ai fotoni cosmici di fondo a microonde lasciati dal Big Bang. Comprendono un quarto delle particelle fondamentali note. Tuttavia, poiché interagiscono a malapena con altra materia, sono probabilmente i meno ben compresi.
Per catturare una manciata di queste particelle inafferrabili e scoprire le loro fonti, i fisici hanno bisogno di rilevatori di grandi dimensioni per un chilometro di larghezza fatti di un materiale otticamente chiaro, come il ghiaccio. Fortunatamente Madre Natura ha fornito questa lastra incontaminata di ghiaccio trasparente dove abbiamo potuto costruire il nostro rivelatore.
L'osservatorio del Neutrino di IceCube strumenti un volume di circa un chilometro cubico di ghiaccio antartico chiaro con 5.160 moduli ottici digitali (DOM) a una profondità compresa tra 1.450 e 2.450 metri. L'osservatorio comprende un sottorilevatore densamente strumentato, DeepCore, e un array di docce ad aria superficiale, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) Al Polo Sud diverse centinaia di scienziati e ingegneri hanno costruito e distribuito oltre 5.000 singoli fotosensori in 86 fori separati da 1, 5 miglia di profondità sciolti nella calotta polare con un trapano ad acqua calda progettato su misura. Nel corso di sette stagioni estive australiane abbiamo installato tutti i sensori. L'array IceCube è stato completamente installato all'inizio del 2011 e da allora acquisisce continuamente dati.
Questa schiera di rivelatori legati al ghiaccio può rilevare con grande precisione quando un neutrino vola attraverso e interagisce con alcune particelle terrene che generano modelli deboli di luce bluastra di Cherenkov, emessi quando le particelle cariche si muovono attraverso un mezzo come il ghiaccio alla velocità della luce.
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Il tallone d'Achille dei rivelatori di neutrini è che altre particelle, originate nella vicina atmosfera, possono anche innescare questi schemi di luce bluastra di Cherenkov. Per eliminare questi falsi segnali, i rivelatori sono sepolti in profondità nel ghiaccio per filtrare le interferenze prima che possano raggiungere il rivelatore sensibile. Ma nonostante sia sotto quasi un miglio di ghiaccio solido, IceCube deve ancora affrontare un assalto di circa 2.500 particelle di questo tipo al secondo, ognuna delle quali potrebbe essere plausibilmente dovuta a un neutrino.
Con il tasso atteso di interazioni astrofisiche reali e interessanti del neutrino (come i neutrini in arrivo da un buco nero) in bilico a circa uno al mese, ci siamo trovati di fronte a un problema scoraggiante ago nel pagliaio.
La strategia di IceCube è di guardare solo agli eventi con un'energia così alta che è estremamente improbabile che siano di origine atmosferica. Con questi criteri di selezione e diversi anni di dati, IceCube ha scoperto i neutrini astrofisici che cercava da tempo, ma non è stato in grado di identificare singole fonti - come nuclei galattici attivi o esplosioni di raggi gamma - tra le diverse dozzine di neutrini ad alta energia aveva catturato.
Per prendere in giro le fonti effettive, IceCube ha iniziato a distribuire avvisi di arrivo dei neutrini nell'aprile 2016 con l'aiuto dell'Astrofisical Multimessenger Observatory Network presso Penn State. Nel corso dei prossimi 16 mesi, 11 allarmi per neutrini IceCube-AMON sono stati distribuiti tramite AMON e la rete di coordinate a raggi gamma, pochi minuti o secondi dopo essere stati rilevati al Polo Sud.
Il 22 settembre 2017, IceCube ha avvisato la comunità internazionale di astronomia del rilevamento di un neutrino ad alta energia. Circa 20 osservatori sulla Terra e nello spazio hanno fatto osservazioni di follow-up, che hanno permesso di identificare ciò che gli scienziati ritengono essere una fonte di neutrini ad altissima energia e, quindi, di raggi cosmici. Oltre ai neutrini, le osservazioni fatte attraverso lo spettro elettromagnetico includevano raggi gamma, raggi X e radiazioni ottiche e radio. Questi osservatori sono gestiti da team internazionali con un totale di oltre 1.000 scienziati supportati da agenzie di finanziamento in paesi di tutto il mondo. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Gli allarmi hanno innescato una sequenza automatizzata di osservazioni a raggi X e ultravioletti con il Neil Gehrels Swift Observatory della NASA e hanno portato a ulteriori studi con il Fermi Gamma-Ray Space Telescope della NASA e il Nuclear Spectroscopic Telescope Array e altri 13 osservatori in tutto il mondo.
Swift è stata la prima struttura a identificare il blazar in fiamme TXS 0506 + 056 come una possibile fonte dell'evento neutrino. Il Telescopet area vasta di Fermi riferì che il blazar era in uno stato in fiamme, emettendo molti più raggi gamma rispetto al passato. Mentre la notizia si diffondeva, altri osservatori saltarono con entusiasmo sul carro e ne seguì un'ampia serie di osservazioni. Il telescopio MAGIC a terra ha notato che il nostro neutrino proveniva da una regione che produce raggi gamma ad altissima energia (ciascuno circa dieci milioni di volte più energico di una radiografia), la prima volta che si è mai osservata una simile coincidenza. Altre osservazioni ottiche hanno completato il puzzle misurando la distanza da blazar TXS 0506 + 056: circa quattro miliardi di anni luce dalla Terra.
Con la prima identificazione in assoluto di una fonte cosmica di neutrini ad alta energia, è spuntato un nuovo ramo sull'albero dell'astronomia. Man mano che l'astronomia dei neutrini ad alta energia cresce con un numero maggiore di dati, un migliore coordinamento inter-osservatorio e rilevatori più sensibili, saremo in grado di mappare il cielo del neutrino con una precisione sempre migliore.
E ci aspettiamo che nuove eccitanti scoperte nella nostra comprensione dell'universo seguano l'esempio, come: risolvere il mistero secolare dell'origine dei raggi cosmici sorprendentemente energici; verificare se lo spaziotempo stesso è schiumoso, con fluttuazioni quantistiche su scale di distanza molto piccole, come previsto da alcune teorie della gravità quantistica; e capire esattamente come gli acceleratori cosmici, come quelli attorno al buco nero TXS 0506 + 056, riescano ad accelerare le particelle a energie così incredibilmente alte.
Per 20 anni, l'IceCube Collaboration ha avuto un sogno di identificare le fonti dei neutrini cosmici ad alta energia - e questo sogno è ora una realtà.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Doug Cowen, professore di fisica e professore di astronomia e astrofisica, Pennsylvania State University
Azadeh Keivani, Frontiers of Science Fellow, Columbia University
Derek Fox, professore associato di astronomia e astrofisica, Pennsylvania State University
