Το Ice Cube θ' αποτελέσει το πρώτο τηλεσκόπιο για κοσμικά νετρίνα

Άρθρο, Μάιος 2005

Ένα παράξενο αστρονομικό όργανο, που ίσως αποδειχθεί και το πιο επαναστατικό, θα είναι το τηλεσκόπιο Ice Cube. Και θ' αναζητήσει ένα αστρονομικό αντικείμενο που δεν έχει μελετηθεί ποτέ πριν: τα κοσμικά νετρίνα. Θα φτιαχτεί στο Νότιο Πόλο, η έκταση του θα είναι 1 km³  και θα περιέχει 1 δισεκατομμύριο τόνους νερού στην θερμοκρασία των -40 °C, ενώ θα περιβάλλεται από 4800 φωτολυχνίες.

Τα νετρίνα

Τρισεκατομμύρια νετρίνα διέρχονται κάθε στιγμή μέσα από την ίδια τη Γη ακόμα και μέσα από το σώμα μας. Από τον απίστευτο αριθμό των νετρίνων που θα διέλθουν μέσα από το σώμα σας σε όλη σας τη ζωή, το πιο πιθανό είναι κανένα από αυτά να μην αλληλεπιδράσει με κάποιο τρόπο με τον οργανισμό σας.

Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν τόσο σπάνια με τη συμβατική ύλη, όπως είναι τα πρωτόνια και τα άτομα, που μόνο πρόσφατα οι επιστήμονες κατάφεραν να τα ανιχνεύσουν. Τα νετρίνα που ανιχνεύθηκαν προέρχονται από τον Ήλιο και τη δική μας ατμόσφαιρα, τις βασικότερες πηγές των νετρίνων, τα οποία κινούνται γύρω μας ανά πάσα χρονική στιγμή. Υπάρχουν όμως, νετρίνα υψηλής ενέργειας που προέρχονται από τις εκλάμψεις ακτίνων γ, τα κβάζαρ, τις μαύρες τρύπες και, πιθανώς, την εξαΰλωση της σκοτεινής ύλης, αυτή τη μυστηριώδη ύλη που συνέχει το σύμπαν. Το Ice Cube θ' αποτελέσει το πρώτο τηλεσκόπιο για κοσμικά νετρίνα, ένα παράθυρο στον κόσμο των υψηλών ενεργειών.

Η κατασκευή του

Το παρατηρητήριο IceCube, είναι συνέχεια ενός άλλου επιτυχημένου ανιχνευτή, του AMANDA και κατασκευάζεται για να ανιχνεύσει τα κοσμικά νετρίνα με ενέργειες πάνω από 100 GeV. Ένα από τα τρισεκατομμύρια νετρίνα που θα περάσουν δίπλα από τις φωτοπολλαπλασιαστικές κάμερες του Ice Cube θα συγκρουστεί -κατά τύχη-κεντρικά με έναν πυρήνα ατόμου μέσα στον πάγο, παράγοντας ένα μιόνιο που ταξιδεύοντας μέσα στον πάγο θα εκπέμπει ένα γαλάζιο φως, γνωστό ως ακτινοβολία Cherenkov.

Επειδή η ενεργός διατομή αλληλεπίδρασης των νετρίνων είναι πολύ μικρή γι' αυτό και απαιτείται να κατασκευαστεί ένας τεράστιος ανιχνευτής. Το IceCube θα παρατηρήσει τα νετρίνα που θα αλληλεπιδρούν στον ανταρκτικό πάγο του Νότιου Πόλου, παράγοντας μιόνια, ηλεκτρόνια ή τα σωματίδια ταυ. Τα προαναφερθέντα λεπτόνια θα αλληλεπιδρούν με τον πάγο (και το ταυ επίσης διασπάται, παράγοντας πρόσθετα φορτισμένα σωματίδια.

Τα υψηλής ενέργειας μιόνια (ενέργειας peV) αφού ταξιδέψουν πολλά χιλιόμετρα στον πάγο, θα ανιχνευτούν έμμεσα από τον ανιχνευτή του IceCube. Γιατί τα φορτισμένα σωματίδια εκπέμπουν την χαρακτηριστική ακτινοβολία Cherenkov, η οποία μπορεί να ταξιδέψει εκατοντάδες μέτρα πριν τελικά ανιχνευτεί από τις ψηφιακές οπτικές ενότητες (DOM) του IceCube. Ο τύπος του νετρίνο, η κατεύθυνση του καθώς και η ενέργεια του μπορεί να αναδημιουργηθεί μετρώντας την ένταση και τον χρόνο άφιξης του φωτονίου σε πολλά DOM.

Σε αντίθεση με τον πάγο που χρησιμοποιούμε, οι προσμείξεις στον πάγο της Ανταρκτικής είναι αμελητέες και η γαλάζια ακτινοβολία θα μπορεί να κινηθεί για περισσότερα από 100 μ. μέσα στο σκοτεινό όγκο. Έτσι, το φως από ένα μιόνιο θα καταγραφεί από αρκετές κάμερες, δίνοντας τη δυνατότητα υπολογισμού της θέσης και της κατεύθυνσης κίνησης του με τη μέθοδο του τριγωνισμού (triangulation). Κάθε κάμερα θα είναι εξοπλισμένη με τσιπ που θα τη συνδέει με υπολογιστές του Σταθμού του Νότιου Πόλου. Από εκεί τα δεδομένα θα διαβιβάζονται στην ερευνητική ομάδα, στα σαφώς θερμότερα γραφεία της στη Νότια Αμερική.

Ο τριγωνισμός είναι η κρίσιμη παράμετρος που καθιστά το Ice Cube τηλεσκόπιο νετρίνων και όχι απλώς ανιχνευτή τους. Το μιόνιο θα κινείται στην ίδια κατεύθυνση με το νετρίνο, έτσι το Ice Cube θα μπορεί να προσδιορίσει την πορεία κίνησης του νετρίνου από την πηγή προέλευσης του στο διάστημα.

Δε θα έπρεπε, βέβαια, να παραλείψουμε μία σημαντική ιδιαιτερότητα του τηλεσκοπίου, που αφορά την εγκατάσταση του στο Νότιο Ημισφαίριο. Έτσι, αν και θα βρίσκεται στο Νότιο Πόλο, οι περισσότερες μετρήσεις του θ' αφορούν νετρίνα που προέρχονται από το Βόρειο Ημισφαίριο του ουράνιου θόλου. Ο λόγος είναι ότι τα περισσότερα νετρίνα που φθάνουν στο Νότιο Ημισφαίριο είναι «θορυβώδη» ατμοσφαιρικά νετρίνα τα οποία δε μας δίνουν καμιά πληροφορία για το μακρινό διάστημα. To Ice Cube εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η Γη λειτουργεί ως ασπίδα θωράκισης από τα νετρίνα, αφού μπλοκάρει τα ατμοσφαιρικά στοιχειώδη σωμάτια και αφήνει να διέλθουν μέσα από τη μάζα της μόνο τα υψηλής ενέργειας κοσμικά νετρίνα.

Για την υψηλής ενέργειας αστρονομία τα νετρίνα είναι ελκυστικά επειδή δεν απορροφώνται στις πυκνές πηγές (άστρα κλπ), όπως τα άλλα σωματίδια, και ταξιδεύουν ευθύγραμμα. Τα πρωτόνια ή οι πυρηνικές κοσμικές ακτίνες είναι γνωστό ότι κάμπτονται από τα διαστρικά μαγνητικά πεδία, και ενώ τα φωτόνια κινούνται ευθύγραμμα, σε ενέργειες πάνω από 10 TeV, οι αλληλεπιδράσεις τους (με δημιουργία ενός ζεύγους ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου) με τα διαστρικά φωτόνια υποβάθρου περιορίζουν την ακτίνα τους.

Η θέση που κτίζεται το τηλεσκόπιο Ice Cube - στο Νότιο Πόλο - ίσως να φαίνεται ασυνήθιστη, αλλά ο ανταρκτικός πάγος είναι πολύ καθαρός και πολύ σταθερός. Βαθιά κάτω από την επιφάνεια, η απόσταση απορρόφησης του φωτός μπορεί να υπερβεί τα 250 μ. Ως προς το νερό της θάλασσας, που είναι άλλο ένα ενεργό μέσο, ο πάγος έχει πολύ χαμηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας υποβάθρου και πιο μεγάλο μήκος εξασθένισης, αλλά σκεδάζεται περισσότερο φως.

Χρησιμοποιώντας τον αμερικανικό σταθμό του Νότιου Πόλου ως βάση για τις εργασίες, η ανάπτυξη του ανιχνευτή IceCube στον πάγο άρχισε στις 15 Ιανουαρίου. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες στην Ανταρκτική είναι δύσκολες, ενώ ο χρόνος που μπορεί να δουλέψει το προσωπικό είναι περιορισμένος. Έτσι όλα πρέπει να κατασκευαστούν προσεκτικά πριν σταλούν στον Πόλο.

Η φυσική του και οι πληροφορίες του

Το IceCube θα μελετήσει πολλά θέματα φυσικής, αλλά ο σημαντικότερος στόχος είναι η υψηλής ενέργειας αστρονομία των νετρίνων. Οποιαδήποτε πηγή που επιταχύνει πρωτόνια ή βαρύτερα ιόντα (κοσμικές ακτίνες) παράγει επίσης  νετρίνα. Τα επιταχυνόμενα σωματίδια θα συγκρουστούν με άλλους πυρήνες, παράγοντας έτσι έναν πίδακα αδρονίων. Τα πιόνια και τα καόνια στον πίδακα ακολούθως θα διασπαστούν, εκπέμποντας έτσι νετρίνα. Οι κοσμικές ακτίνες έχουν παρατηρηθεί με ενέργειες μέχρι 3 x 10²⁰ eV και το φάσμα των νετρίνων θα πρέπει να εκτείνεται σε ενέργειες λίγα τοις εκατό αυτής της ενέργειας. Η ροή των νετρίνων δεν είναι σταθερή αλλά οι περισσότεροι υπολογισμοί προβλέπουν ότι ένας 1 ανιχνευτής 1 km³ πρέπει να δει τουλάχιστον μια χούφτα γεγονότων κάθε χρόνο.

Υπάρχουν διάφορες πιθανές αστροφυσικές πηγές νετρίνων. Περιλαμβάνουν τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (AGN), εκλάμψεις ακτίνων γάμμα (GRB) και τα κατάλοιπα των σουπερνοβών. Οι AGN είναι γαλαξίες με τεράστιες μαύρες τρύπες στα κέντρα τους, που μπορούν να τροφοδοτήσουν έναν πίδακα σχετικιστικών σωματιδίων. Οι υπολογισμοί,  βασισμένοι στην παρατηρηθείσα ροή των φωτονίων σε ενέργειες της τάξης τερα-ηλεκτρόνιοβολτ δείχνουν ότι το IceCube πρέπει να παρατηρήσει νετρίνα από τους AGN. Οι γαλαξιακοί ενεργοί πυρήνες (GRB) είναι πολύ μυστήρια αντικείμενα, που παράγουν εκρήξεις υψηλής ενέργειας ακτίνων γάμμα. Συνδέονται με διάφορα αντικείμενα στους γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένων των υπερνοβών (πολύ μεγάλες σουπερνόβες) και άστρων νετρονίων που συγκρούονται. Μερικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν ότι το IceCube πρέπει να δει μια χούφτα νετρίνων από ένα μόνο GRB, κάτι που θα ήταν ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα. Τα κατάλοιπα των σουπερνοβών, όπως το Νεφέλωμα του Καρκίνου, είναι μια πιθανή πηγή των περισσότερων κοσμικών ακτίνων με μέτρια ενέργεια στον Γαλαξία μας. Εάν η άποψη αυτή είναι σωστή, πρέπει επίσης να παραγάγουν και νετρίνα.

Το IceCube θα μελετήσει κι άλλα θέματα φυσικής. Κατά τη διάρκεια μιας δεκαετίας, θα παρατηρήσει περίπου 1 εκατομμύρια ατμοσφαιρικά νετρίνα, αρκετά για να ερευνήσουμε για πιθανές αποκλίσεις από το καθιερωμένο σενάριο των τριών γεύσεων από τις ταλαντώσεις των νετρίνων. Οι επιστήμονες στο πρόγραμμα IceCube θα ψάξουν, επίσης, για παραβιάσεις του Lorentz και της Αρχής της Ισοδυναμίας. Για νετρίνα που παράγονται από την εξαΰλωση των Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα (τα γνωστά Wimp), που έχουν συλληφθεί βαρυτικά από τη Γη ή τον ήλιο. Το IceCube μπορεί να ανιχνεύσει, επίσης, εκρήξεις χαμηλής ενέργειας νετρίνων από τα καταρρέοντα σουπερνόβα. Θα συμβάλει επίσης στην μελέτη των στρωμάτων της σκόνης που καταγράφουν το γήινο κλίμα κατά τη διάρκεια των προηγούμενων 200.000 ετών.

Τα νετρίνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την έρευνα των κοσμικών ακτίνων με ένα πιο άμεσο τρόπο. Τα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας (πάνω από 5 x 10¹⁹ eV) πρωτόνια αλληλεπιδρούν με τα φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου,  το κατάλοιπο της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτά τα πρωτόνια αποσυντίθενται σε χαμηλής ενέργειας νουκλεόνια και πιόνια. Οι επόμενες διασπάσεις των πιονίων και νετρονίων παράγουν ακολούθως τα νετρίνα. Έτσι με την ανίχνευση αυτών των νετρίνων το IceCube θα εξετάσουν τη σύνθεση των κοσμικών ακτίνων και την πιθανή εξέλιξη (με μετατόπιση προς το ερυθρό των ενεργητικών πηγών των κοσμικών ακτίνων.

Ο φυσικός Francis Halzen από το Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν, επικεφαλής του προγράμματος, ελπίζει ότι το Ice Cube θα ρίξει άπλετο φως στη συμπεριφορά των κβάζαρ, των ενεργών πυρήνων των γαλαξιών, των μελανών οπών και τις εκλάμψεων ακτίνων γ, δηλαδή των πηγών προέλευσης των νετρίνων υψηλής ενέργειας. Λόγω της αντικοινωνικής τους συμπεριφοράς, η ανίχνευση νετρίνων μπορεί να διαλευκάνει αποτελεσματικότερα όλα αυτά τα φαινόμενα συγκριτικά με την καταγραφή φωτονίων. Κάποια από τα νετρίνα που θα συλλέξει το Ice Cube θα προέρχονται απευθείας από το κέντρο ενός κβάζαρ, τη στιγμή που τα φωτόνια του που καταφθάνουν στη Γη δημιουργήθηκαν αποκλειστικά στο εξωτερικό του κέλυφος.

Όμως η σημαντικότερη αποστολή του - απ' ό,τι τουλάχιστον μπορούμε να προβλέψουμε εκ των προτέρων - είναι να μας ανοίξει ένα παράθυρο στη σκοτεινή ύλη. Από τη μελέτη της βαρυτικής συμπεριφοράς των γαλαξιών γνωρίζουμε ότι το σύμπαν κατακλύζεται από ύλη άγνωστης φύσης που δεν μπορούμε ν' ανιχνεύσουμε. Ίσως τα νετρίνα να παράγονται κατά την εξαΰλωση της σκοτεινής ύλης στο διάστημα. Εάν ευσταθεί αυτή η υπόθεση, με την ανίχνευση τους από το Ice Cube θ' αποκτήσουμε μία καλύτερη εικόνα γι' αυτή τη μυστηριώδη, αόρατη ουσία που κατακλύζει το σύμπαν.

Αλλά ακόμη δε γνωρίζουμε ποιο θα είναι το επιπλέον κέρδος από την επένδυση των 273 εκατομμυρίων δολαρίων. Αφού ποτέ ξανά δεν έχουμε ερευνήσει τα κοσμικά νετρίνα, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ποιες πληροφορίες θα μας δώσουν για το σύμπαν. "Και αυτό", συμπληρώνει ο Halzen, "είναι το πιο συναρπαστικό στοιχείο".

Για την κατασκευή του IceCube συνεργάστηκαν περισσότεροι από 150 επιστήμονες, μηχανικοί και ειδικοί στους υπολογιστές από τις ΗΠΑ, το Βέλγιο, τη Γερμανία, την Ιαπωνία, την Ολλανδία, τη Νέα Ζηλανδία, τη Σουηδία και τη Μεγάλη Βρετανία. Η χρηματοδότηση του IceCube στηρίζεται στα 242 εκατομμύρια δολάρια του Αμερικανικού Ιδρύματος Επιστημών, συν περίπου 30 εκατομμύρια από την Ευρώπη.

Πηγές: CERN Courier, Popular Science