חוקרים זיהו לראשונה את מקורם של חלקיקים תת-אטומיים וסופר-אנרגטיים בשם נייטרינו באנרגיות גבוהות, הידועים גם בשם "חלקיקי רפאים". חלקיק אחד כזה שהתגלה ב-2017 במעבה הקרח באנטארקטיקה שלח את חוקרי IceCube, ושותפיהם ברחבי העולם, לחיפוש קדחתני אחר מוצאו ביקום, ועד מהרה נמצאה התשובה: החלקיק שזוהה בקוטב הדרומי הואץ על ידי חור שחור על-מסיבי במרחק 3.7 מיליארד שנות אור מאיתנו, בכיוון קבוצת הכוכבים אוריון. תוצאות התגלית ההיסטורית, שפותרת תעלומה מדעית בת 100 שנה וחונכת ענף חדש באסטרונומיה, מתפרסמות היום (חמישי) בכתב העת Nature.
לעבור דרך קירות
חלקיקי נייטרינו (מאיטלקית: "נייטרון קטן") הם חלקיקים אלמנטריים בעלי מסה מזערית שנוצרים כתוצאה מדעיכה רדיואקטיבית. מאחר שלחלקיקי נייטרינו אין מטען חשמלי, הם אינם מגיבים לא לכוח האלקטרומגנטי ולא לכוח הגרעיני החזק. פירושו של דבר שחלקיקי נייטרינו, הנעים במהירות קרובה מאוד למהירות האור, יכולים בדרך כלל לעבור דרך חומר רגיל ללא הפרעה. תכונה זו מאפשרת לאסטרונומים לקבל מהם מידע על אירועים קוסמיים שאינם ניתנים למדידה ישירה, כמו למשל תהליכים בליבות של כוכבים, אבל היא גם מקשה מאוד על גילוי החלקיקים.
את קיומם של חלקיקי נייטרינו הציע וולפגנג פאולי ב-1930, כאשר הסתבר שחסרה אנרגיה בדעיכות רדיואקטיביות. ב-1956, קלייד קוואן ופרידריק ריינס היו הראשונים שהצליחו לגלות חלקיקי נייטרינו בכור גרעיני, תגלית שזיכתה אותם בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1995. ב-1968, ריימונד דיוויס ג'וניור היה הראשון לגלות חלקיקי נייטרינו שמקורם בשמש, תגלית שזיכתה אותו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2002. את הפרס חלק דיוויס עם מסטושי קושיבה, שב-1987 הצליח למדוד שטף חלקיקי נייטרינו שהגיע לכדור הארץ כתוצאה מפיצוץ סופרנובה – זיהוי ראשון של חלקיקי נייטרינו שנוצרו מחוץ למערכת השמש שלנו.
עם זאת, עד היום מדענים לא ידעו להצביע על מקורם של חלקיקי נייטרינו באנרגיות גבוהות מאוד של טריליוני אלקטרון וולט – אנרגיות הגבוהות עד פי מיליונים מאלו של אירוע הסופרנובה, של תגובות גרעיניות בשמש או של מאיצי החלקיקים העוצמתיים ביותר בכדור הארץ.
תעלומה מדעית מאז 1911
לשם כך הוקם ב-2010 מצפה הנייטרינו IceCube. פרויקט IceCube מפעיל אלפי חיישנים העוקבים אחר קמ"ר קרח בעומק ק"מ תחת מעטה הקרח באנטרקטיקה. ב-2013 פורסם שהגלאים הרגישים של IceCube זיהו חלקיקי נייטרינו קוסמיים באנרגיות גבוהות, והתראה נשלחה למצפים ברחבי העולם במטרה לזהות את מקור השטף שפוגע בכדור הארץ – אולם ללא תוצאות.
ב-22 בספטמבר 2017, הגלאים גילו את IceCube-170922A, חלקיק נייטרינו באנרגיה של 290 טריליון אלקטרון וולט, במסלול שמצביע על כך שמוצאו באזור בשמים בכיוון קבוצת הכוכבים אוריון. בתוך שניות, עשרות טלסקופים על הקרקע ובחלל החלו לחפש אחר פליטות אלקטרומגנטיות באזור, ובתוך ארבע שעות בלבד, טלסקופ החלל Swift של נאס"א זיהה את מוצאו של החלקיק בחור שחור על-מסיבי מסוג בלאזר – כלומר קוואזר שסילון הקרינה שלו מופנה לכיוון כדור הארץ – ממרחק 3.7 מיליארד שנות אור מאיתנו.
בהינתן המקור, ניתוח חוזר של מסלולי חלקיקי הנייטרינו שהתגלו ב-2013 מראה שגם מקורם באותו מאיץ חלקיקים קוסמי, הנמצא בלב גלקסיה רחוקה. בכך באה לסיומה תעלומה מדעית בת למעלה מ-100 שנה. מאז 1911, מדענים מנסים לזהות את המקור לפרצי הקרינה הקוסמית הגלקטית שנמדדים מעת לעת – כלומר, חלקיקים תת-אטומיים באנרגיות גבוהות שמפציצים את כדור הארץ ללא הרף. כעת מתברר שמקורם הוא חורים שחורים ענקיים במרכזי גלקסיות רחוקות, שאנחנו במקרה נמצאים בכיוון סילון הקרינה שלהם.
"המאיצים האנרגטיים ביותר ביקום"
"האינטראקציה של חלקיקי נייטרינו עם חומר היא מזערית, לכן קשה לעצור אותם ולכן יש לבנות גלאי ענק כמו IceCube כדי לגלות אותם", מסביר פרופ' אהוד בכר, דיקן הפקולטה לפיזיקה ובעבר ראש המכון לחקר החלל בטכניון, שמשתף פעולה עם פרויקט IceCube יחד עם פרופ' דפנה גואטה מאורט בראודה, ואינו שותף לפרסום הנוכחי.
"גלאים כאלה מודדים למעשה את שובלי האור שהתוצרים של חלקיקי הנייטרינו, בעיקר מיואונים, משאירים אחריהם. IceCube החל לעבוד במלוא הכוח ב-2010, וכבר גילה עשרות חלקיקים באנרגיות גבוהות, אך עד היום לא הצליחו לזהות את מקורות החלקיקים, כלומר הביטו לכיוון שממנו הגיעו חלקיקי הנייטרינו ולא זיהו מקור קרינה מוכר, שאליו ניתן היה לייחס את החלקיק. האירוע הנוכחי הוא הפעם הראשונה שבה זוהתה התפרצות אלקטרומגנטית מכיוון חלקיקי הנייטרינו".
לדברי פרופ' בכר, התגלית החדשה מעידה כל כך שסילון קרינה במהירות הקרובה למהירות האור מופנה אלינו.
"מקור החלקיק הוא סילון מחור שחור ענק במרכז גלקסיה. מקורות אלה הם סוג מסוים שלבלאזרים. אלה מקורות שידועים כפולטי קרינת גמא, ואכן המקור זוהה בהתחלה לפי עלייה חדה בשטף קרינת הגמא. הקרינה ממקורות סילוניים כאלה מועצמת מאוד כתוצאה מאפקט דופלר יחסותי. בגלל האפקט הזה רוב הקרינה מהסילון מופנית אלינו, ולא מתפזרת לכל הכיוונים. כמו ממטרה על גבי מכונית מהירה מאוד – רוב המים ישפריצו עם כיוון הנסיעה".
באשר לחשיבות המדעית של זיהוי המקור, פרופ' בכר אומר שהיא גדולה בהרבה מזיהוי מקור הנייטרינים.
"מאחר שחלקיקי נייטרינו נוצרים מפרוטונים עוד יותר אנרגטיים, התגלית הזו מצביעה על כך שחורים שחורים ענקיים הם מאיצי הנייטרינים וגם מאיצי הפרוטונים האנרגטיים ביותר ביקום. את אלה מכנים קרינה קוסמית, והיא נמדדה ונמדדת בכדור הארץ כבר למעלה ממאה שנה, אך עד היום מקורה היה בגדר תעלומה. התגלית מוכיחה שהחורים השחורים העל-מסיביים מהסוג הזה אחראים להאצת הקרינה הקוסמית לאנרגיות של טרה אלקטרון וולט ומעלה".
אסטרונומים מקווים שהתגלית החדשה תבסס את הענף החדש של אסטרונומיית נייטרינו כענף נוסף במהפכת האסטרונומיה רבת-השליחים (Multi-messenger Astronomy). מדע האסטרונומיה הסתמך באופן מסורתי על קרינה אלקטרומגנטית – ראשית על האור הנצפה, ולאחר מכן גם על תדרים אחרים בספקטרום האלקטרומגנטי, כמו גלי רדיו, רנטגן וגמא.
גלי כבידה, שקיומם הוכח ב-2016, אפשרו לראשונה לחקור אירוע קוסמי משני מקורות שונים: מהקרינה האלקטרומגנטית שהאירוע פולט ומאדוות הכבידה שהאירוע משחרר במרחב-זמן. כעת התקווה בקהילה המדעית היא שאסטרונומיית הנייטרינו תתבסס כמקור שלישי לחקר היקום, ושבעתיד יהיה זה אפשרי לא רק להצליב מידע באמצעות זיהוי מסלולם של חלקיקי נייטרינו בכדור הארץ, אלא גם להגיע לתגליות חדשות – לזהות אירועים רבי-עוצמה ביקום שהאסטרונומיה המסורתית טרם זיהתה.