Neutrinska astronomija

Sferični fotomultiplikator za detektiranje neutrina pod vodom

Neutrinska astronomija je relativno novo znanstveno područje koje se bavi proučavanjem svemira kroz bilježenje čestica neutrina za razliku od optičke koja funkcionira na bazi promatranja elektromagnetskih čestica - fotona. Fotoni su osnovni elementi svijetlosti te ujedno paketi energije nastali kroz zračenja crnog tijela, ionizacijom određenih kemijskih elemenata, preraspodjelom subatomskih čestica elektrona u atomu (pobudom u energetskim nivoima) itd., dok neutrini se isključivo stvaraju u nuklearnim reakcijama te raspadom atoma pri utjecaju kozmičkih zraka. Proučavanje neutrina se zasad vrši jedino pomoću posebnih detektora velikih dimenzija, a razlog tome jest težina njihovog bilježenja. Neutrini su čestice vrlo male mase bez električnog naboja, zbog čega posjeduju svojstvo slabog međudjelovanja (jedna od četiriju fundamentalnih sila), te stoga je detekcija njih bitno zahtjevnija. Detektori, dakle, moraju biti mnogo veći kako bi ih skupili u dovoljnoj količini za stvaranje slike ili druge informacije. Takvi osjetljivi uređaji se grade najčešće ispod poršine Zemlje ili pod morem kako bi ih se što bolje izoliralo od kozmičkog i pozadinskog zračenja. Nužno je pripaziti i na koncetraciju izotopa na mjestu detektora, jer velike količine mogu isto tako uzrokovati neželjeni šum.

Princip rada detektora

Postoji nekoliko načina "hvatanja" te snimanja neutrina, a najjednostavniji je pomoću velikog bazena teške vode (D₂O) obavijenog sferom fotoelektričnih uređaja. Naime, tijekom prolaska neutrina kroz vodu, može doći do stvaranja ponekog elektrona ili miona (Čerenkovljeva radijacija), što možemo snimiti pomoću tih fotodetektora. Ako uzmemo u obzir da protok neutrina što dolazi od Sunca napravi samo 1 interakaciju na 10³⁶ atoma te svori svega par fotona, potrebno je onda koristiti vrlo osjetljivu opremu za praćenje te pojave. Kutna rezolucija današnjih detektora ne prelazi 1°, no u planu je projekt pod imenom KM3NET čija bi teoretska rezolucija bila 0,1°. Osim gore spomenute metode, postoje i druge tehnike detektiranja:

• scintilatorima
• radiokemijskim reakcijama
• pratećim kalorimetrima
• radio detektorima

Prednost kod tih čestica je također slaba interakcija sa materijom i silama, što im daje mogućnost prolaska kroz, primjerice, planete bez puno ometanja (u odnosu na svijetlost). Neutrinskim astronomima bi takvo što teoretski omogućilo pogled na crne rupe, središta zvijezda (gdje se neutrini proizvode) ili gledanje kroz disk naše galaksije te time otkrivanje dosad skrivenih dijelova svemira.

Promatranja

Ovom metodom su zasad promatrana dva objekta:

Sunce

Pogled na nekadašnji opservatorij solarnih neutrina "Sudbury" u Kanadi

Kao što je prije rečeno, neutrini se generiraju u nuklearnim reakcijama, što se u slučaju Sunca odvija - u jezgri. Tijekom formiranja jezgre helija, u kojoj sudjeluje 4 vodikova protona, 2 od njih se stapaju u neutron, pa tako usput dolazi do oslobađanja neutrina. Kada je riječ o Suncu, takav proces se događa na enormnoj razini. Upravo zbog te činjenice znanstvenici mogu "zaviriti" u unutrašnjost naše zvijezde. Pa je tako korištenjem neutrinskih detektora 60ih godina po prvi put uspješno promatrana sunčeva jezgra u povijesti. Taj događaj je, međutim, bio popraćen otkrićem tzv. "anomalije sunčevih neutrina", koji je stvorio veliku polemiku među znanstvenicima. Naime, broj pristiglih neutrina nije se poklapao sa predviđanjima Standardnog modela, koji je dotad nalagao da neutrini nemaju masu, odnosno slabije međudjelovanje. Prema tome, očekivalo se da ih je trebalo pristići Zemlji u većem broju. Daljni eksperimenti i izračuni su također potvrdili istu pojavu, pa je na temelju toga promjenjeno mišljenje o masi neutrina.

Supernova SN1987A

Na dan 23.veljače 1987. zabilježen je povećan broj neutrina i antineutrina kod 3 udaljena detektora, nakon čega je 3 sata kasnije uslijedilo vizualno zapažanje supernove 2. tipa na rubu Tarantuline maglice u Velikom Magellanovom oblaku. Kašnjenje svjetlosti za neutrinima možemo objasniti na slijedeći način- početkom gravitacijskog kolapsa zvijezde je krenula bitno pojačano emitiranje neutrina koji su potom napustili njezinu površinu prije udarnog vala te bljeska. Što se drugih podataka tiče, analizom je utvrđeno da se radilo o eksploziji plavog superdiva Sanduleaka -69° 202 nakon stapanja sa drugom zvijezdom. Jedna misterija je dakako preostala. Naime, teorija te podaci o neutrinima su upućivali na pojavu neutronske zvijezde nakon supernove, što dosad nije evidentirano u ostacima SN1987A. Jedino objašnjenje jest da je neutronska zvijezda ostala skrivena iza gustog oblaka ostataka, pa se iz tog razloga ne može uočiti.

• 

  Slika Sunca konstruirana na bazi zabilježenih solarnih neutrina (Izvor: NASA)

• 

  Video prikazuje SN1987A kroz period od '94-'09 (Izvor: NASA)

• 

  Unutrašnjost neutrinskog detektora

Izvori

1. Metode astronomskih istraživanja, Dragan Roša, Zvjezdarnica Zagreb - Zagrebački astronomski savez i Alfa d.d., godina 2011.
2. ^ a b c d e f g Gelmini, Graciela B. (May 2010). "Through Neutrino Eyes". Scientific American: pp. 38–45
3. http://www.phys.hawaii.edu/~jgl/nuastron.html Preuzeto 2. veljače 2012.(EST)
4. http://www.sns.ias.edu/~jnb/Papers/Popular/Millennium/paper.pdf Preuzeto 2. veljače 2012.

Poveznice

• Teleskop
• Neutrino
• Svemir