Doslej je človeštvo daleč veliko večino informacij o oddaljenem pridobilo prek svetlobe, nam samoumevne zadeve. Svetloba do nas prihaja iz vseh smeri, nenehno in skoraj od začetka časa. Njeni delci (fotoni) so električno nevtralni, potemtakem se ne zmenijo za vmesna magnetna polja in lahko prispejo do nas dokaj "nedotaknjeni". Potujejo z najvišjo mogočo hitrostjo skozi dolge eone, kar omogoča učinkovito gledanje preteklega. A snov med izvorom in nami lahko fotone ustavi, preusmeri, poleg tega svetlost z razdaljo hitro šibi in milijarde svetlobnih let oddaljene reči je težko opazovati. Radovednost človeštva pa je velika, zato znanstveniki zagrabijo vsako alternativno bilko, da lahko najdejo kaj uporabnega.

V zadnjih letih se krepi t. i. večglasniška astronomija, ki za opazovanje iste tarče poskuša istočasno izkoristiti še katerega od treh ostalih glasnikov o oddaljenem. Slednji so precej teže dostopni in imajo izrazitejše omejitve. To so: težnostno valovanje, kozmični žarki in nevtrini. Za rojstvo aktivne večglasniške astronomije velja lansko odkritje zlitja dveh nevtronskih zvezd, pri katerem so izkoristili tako valovanje prostor-časa kot svetlobna opazovanja.

Nevtrini in sevanje gama z roko v roki
Za naslednji veliki preboj na tem področju je poskrbelo mednarodno sodelovanje, v katerem sodeluje tudi znanstvenica Gabrijela Zaharijaš s Centra za astrofiziko in kozmologijo na Univerzi v Novi Gorici. Uspelo jim je združiti opazovanja nevtrinov in elektromagnetnega valovanja. Za zaznavo prvih je poskrbel observatorij IceCube, ki je že sam po sebi inženirsko in tehnološko čudo (več o njem spodaj), za svetlobo pa Nasin teleskop Fermi LAT in prgišče kopenskih.

Izidi raziskave bodo objavljeni v prestižni znanstveni reviji Science, in sicer v dveh ločenih člankih ta četrtek.

Kako je biti del mednarodne skupine, ki je prišla do znanstvenega preboja, smo povprašali Gabrijelo Zaharijaš. "Seveda je izjemno vznemirljivo! Imela sem srečo, da sem se pridružila Fermijevi ekipi že v letu, ko je bil ta teleskop izstreljen in le malo po končanem doktoratu. V tem času sem bila priča kopici znanstvenih prebojev in odkritij, tako s strani kolaboracije Fermi LAT kot drugih visokoenergijskih eksperimentov. Nasploh je neverjetno, koliko zmogljivih visokoenergijskih eksperimentov za astrofiziko je bilo sproženih v zadnjih desetletjih in kako skupaj skrbijo za odkritja najbolj energijsko bogatih procesov v vesolju. In ker smo šele pred kratkim naredili prve korake v večglasniško astronomijo, je to odkritje šele začetek," je povedala za MMC.

Od ledene kocke do kovinskega robota
Pot do dosežka je bila dolga in težavna. Najprej so morali na južnem polu v izrednem mrazu postaviti observatorij IceCube, razvoj in gradnja sta trajali kar petnajst let, vse do leta 2011. V ledu so naredili kubični kilometer veliko kocko, ki lovi sledi visokoenergijskih nevtrinov. In teh v resnici sploh ne manjka, vsak trenutek jih gre na milijone gre skozi vsak centimeter vaše kože. Toda observatoriju IceCube je do danes uspelo uloviti zgolj nekaj deset posameznih visokoenergijskih nevtrinov, ki so astrofikalnega izvora, torej ne izhajajo iz domačega Osončja in zatorej pomagajo gledati zelo oddaljeno vesolje.

Težava je v tem, da so nevtrini zelo izmuzljivi delci, ki nasprotujejo človeški intuiciji. So skoraj brez mase. Skozi nas potujejo tako rekoč nemoteno, zato ker so imuni na dve od štirih osnovnih sil vesolja. Posledično se ne zmenijo niti za človeške detektorje, neizogibno narejene iz "običajne" snovi. Iz tega razloga IceCube zazna tako malo nevtrinov, zapovrh pa jih nikoli ne vidi neposredno. Le sled, ki jo pusti posamezen nevtrino, če slučajno stopi v interakcijo z ledom, pri čemer prasne nekaj svetlobe. Prav to išče IceCube. (Zakaj lahko nevtrino včasih interagira z navadno snovjo? Več na dnu članka.)

Nato ostane zagonetka, od kod je nevtrino sploh prišel. Informacije o izvoru ne koristijo veliko, če izvora samega sploh ne poznamo. Pri tem izdatno nagaja Sonce, ki nenehno bruha ogromne količine nevtrinov. Astrofizike pa zares zanimajo le tisti, ki prihajajo od drugod. Ločiti je treba zrno od plev, a do zdaj je raziskovalcem uspelo nabrati le natanko 80 zrn, ki niso plod Sonca. Neznano ostaja, čigava v resnici so.

Fermi najde visokoaktiven blazar
Na tej točki je priskočila na pomoč svetloba, na skoraj gasilski način. Ko je IceCube nazadnje ujel svoj plen, je nemudoma poslal opozorilo številnim drugim observatorijem po celem svetu. Ekipa Fermi LAT, v kateri sodeluje Zaharijaševa, je nemudoma pognala svoje instrumente v iskanje "krivca". "Fermi LAT opazuje celotno nebo v svetlobi gama, pri čemer motri okoli 2.000 blazarjev. Po IceCubovemu alarmu je naša ekipa prva zaznala, da astrofizikalni nevtrino prihaja iz smeri blazarja TXS 0506+056, ki je bil v trenutku odkritja nevtrina najbolj aktiven blazar, kar jih je Fermijeva skupina videla v celem desetletju. Vse skupaj je močan indikator, da sta dogodka povezana," je sporočila astrofizičarka.

Fermi je informacijo poslal preostalim observatorijem, ki so se preusmerili in začele opazovati izvorni blazar, da bi bolje razumeli fizikalne procese, ki so porodili zaznani nevtrino.

TXS 0506+056 je 4 milijarde svetlobnih let oddaljen blazar, izjemno svetlo središče galaksije. Sestavljata ga črna luknja v sredini, in okoliška snov, ki potuje proti črni luknji, se med tem vrtinči, medsebojno tre, ob tem segreva in zato močno sveti. Blazarji spadajo med najbolj energetsko bogate in najsvetlejše objekte v vesolju sploh. So podvrsta kvazarjev. Od teh se razlikujejo po tem, da curek energije in žarkov, ki izhaja iz enega izmed polov blazarja, sveti v smeri Zemlje.

Blazarji so lahko izvor kozmičnih žarkov
Da ne bo nesporazuma, nevtrini niso prišli iz same črne luknje, temveč so plod dogajanja tik ob njej. Črna luknja je namreč del prostor-časa, iz katerega noben delec ne more izstopiti. Izjema je le (še nedokazano) Bekenstein-Hawkingovo sevanje, več o tem pojavu v intervjuju s slovenskim fizikom Andrejem Čadežom.

"Odkritje je pomembno zato, ker imamo prvič v rokah neposredne dokaze, da blazarji (ali pa črne luknje v njih središčih) proizvajajo visokoenergijske nevtrine. Vemo, da nevtrini nastanejo, ko elektronsko nabiti kozmični žarki, torej protoni in atomska jedra, stopijo v interakcijo z okolico, zato odkritje tudi nakazuje, da so blazarji zmožni proizvajati visokoenergijske, električno nabite kozmične žarke," je pojasnila. Poenostavljeno, blazarji bi lahko bili eden poglavitnih virov kozmičnih žarkov, katerih izvor človeštvo išče že desetletja.

Kozmični žarki so nevarni za življenje. Ko namreč trčijo v atom, iz njega npr. zbijejo elektron, ga "poškodujejo". To je še posebej škodljivo, če se zgodi na molekulah DNK-ja, kar lahko pripelje do rakavih obolenj. Pred njimi nas dobro varuje domači planet z magnetnim poljem in ozračjem, so pa ena največjih preprek za prihodnja potovanja po vesolju. Sodeč po poskusih na laboratorijskih miših astronavti npr. na poti do Marsa in nazaj ne bi bili izpostavljeni le večjemu tveganju za raka, temveč bi utrpeli tudi možganske poškodbe in si nabirali simptome demence.

V članku je pogosto najti besedo "visokoenergijsko". Kaj to pomeni? IceCubov nevtrino je dospel z energijo 300 TeV. To je 45-krat več od energije, do katere je mogoče delce pospešiti v najzmogljivejšem pospeševalniku na Zemlji, Velikem hadronskem trkalniku v Švici, je pojasnila novogoriška fizičarka.

Kocka globoko v polarnem ledu
IceCube je, kot nakazuje že ime, kubični kilometer velika "kocka" ledu na Antarktiki, gradnja je stala 279 milijonov dolarjev. Naredili so jo tako, da so v že obstoječo ledeno ploskev zvrtali 86 lukenj, širokih 60 centimetrov, in vanje do globine 2.450 metrov spustili 5.160 optičnih senzorjev, nakar so pustili, da jih uklešči novonastali led. Ti senzorji iščejo fotone, ki nastanejo kot posledica leta nevtrinov. Nevtrini namreč zelo poredko, a včasih vendarle trčijo neposredno v jedro atoma ledu. Pri tem odda nekaj svoje energije in nastane nov, naelektren delec, ki švigne svojo smer po ledeni kocki in pri tem sproži pojav Čerenkova. Gre za učinek, analogno podoben prebitju zvočnega zidu, le da ni povezan s hitrostjo zvoka, temveč hitrostjo svetlobe.* Svetloba skozi skorajda povsem prazno vesolje potuje s svojo najvišjo mogočo hitrostjo. A če potuje skozi gostejši medij, npr. vodo, se upočasni. In če naelektren delec hitrost svetlobe po tem mediju preseže, nastane omenjeni pojav - šele slednjega pa zaznajo detektorji. IceCube izkorišča dejstvo, da je antarktični polarni led precej čist. V njem ni veliko primesi, nečistoč, ki bi ustvarjale dodaten šum v signalu.
_{* Odstavek je sprva vseboval napačno razlago pojava Čerenkova, kar smo popravili. Za opozorilo se zahvaljujemo uporabniku eMZe.}
Video 1: Posnetek NSF-jeve tiskovne konference

Video 2: Ponazoritev zaznave nevtrina v opazovalnici IceCube

Video 3: Blazarjevi žarki prispejo do Zemlje

Video 4: Fermi opazi blazar


Video 5: Animacija vrtanja, ki je pripeljalo do observatorija IceCube