Neutrina z krańców Wszechświata. Nagroda Nobla z fizyki 2026

To odkrycie otworzyło zupełnie nowe okno na Wszechświat. Dzięki neutrinom naukowcy mogą badać miejsca, z których nie dociera nawet najbardziej energetyczne światło, i szukać odpowiedzi na jedno z najstarszych pytań współczesnej astrofizyki: skąd pochodzą najbardziej energetyczne cząstki docierające do Ziemi?

Cząstki, które przechodzą przez Ziemię

Neutrina należą do najbardziej nieuchwytnych cząstek znanych fizyce. Nie mają ładunku elektrycznego i niezwykle słabo oddziałują z materią. Oznacza to, że mogą pokonywać ogromne odległości niemal bez przeszkód.

Można powiedzieć, że Ziemia jest dla nich niemal przezroczysta. Neutrino może przelecieć przez całą planetę i w większości przypadków nic się nie wydarzy.

To właśnie jest jednocześnie ich największą zaletą i największym problemem.

Skoro neutrina prawie nigdy nie zderzają się z materią, jak w ogóle można je wykryć?

„Neutrina są niezwykle trudne do zarejestrowania, ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią. Z drugiej strony właśnie ta cecha sprawia, że są wyjątkowymi posłańcami z najbardziej odległych i ekstremalnych miejsc we Wszechświecie.”
— prof. dr hab. Julian Sitarek, Katedra Astrofizyki WFiIS UŁ

Teleskop ukryty pod lodem

Wyobraźmy sobie teleskop, który nie ma ani soczewki, ani zwierciadła. Nie znajduje się też na szczycie góry czy na orbicie.

Jest ukryty głęboko pod lodem Antarktydy.

To IceCube Neutrino Observatory – jedno z najbardziej niezwykłych obserwatoriów astronomicznych na świecie. Jego „teleskopem” jest około kilometra sześciennego lodu znajdującego się na biegunie południowym.

W lodzie rozmieszczono 86 pionowych linii zawierających łącznie 5160 optycznych sensorów. Są one zanurzone na głębokości sięgającej około 2,5 kilometra.

Dlaczego aż tak wielki detektor?

Ponieważ aby złapać neutrino, trzeba mieć ogromną ilość materii. Naukowcy czekają na niezwykle rzadkie momenty, kiedy neutrino jednak zderzy się z atomem lodu. Podczas takiej interakcji może powstać naładowana cząstka, która poruszając się w lodzie emituje błysk światła, który rejestrują sensory IceCube.

W praktyce oznacza to, że naukowcy obserwują Wszechświat za pomocą światła powstającego wewnątrz antarktycznego lodu.

Kosmiczni posłańcy

Dlaczego neutrino jest tak cennym źródłem informacji?

Wyobraźmy sobie bardzo odległy, ekstremalny obiekt kosmiczny. Mogą zachodzić w nim procesy, podczas których cząstki są rozpędzane do niewyobrażalnych energii. Powstają wtedy m.in. wysokoenergetyczne protony i inne cząstki promieniowania kosmicznego.

Problem w tym, że protony mają ładunek elektryczny. Podczas swojej podróży przez Wszechświat są odchylane przez pola magnetyczne. Ich droga nie wskazuje więc bezpośrednio miejsca, z którego wyruszyły.

Neutrina nie mają tego problemu.

Podróżują niemal po linii prostej od źródła do Ziemi. Mogą zatem działać jak kosmiczne drogowskazy, wskazujące miejsca, w których zachodzą najbardziej energetyczne procesy we Wszechświecie.

To ogromnie ważne, ponieważ pochodzenie promieniowania kosmicznego pozostaje zagadką już od ponad stu lat.

Nowe okno na Wszechświat

IceCube pokazał, że część rejestrowanych przez niego wysokoenergetycznych neutrin pochodzi spoza naszej Galaktyki. Oznacza to, że możemy wykorzystywać je do badania odległych źródeł kosmicznych i procesów zachodzących w ekstremalnych warunkach.

Neutrina są przy tym szczególnymi „posłańcami”. Światło może zostać pochłonięte już nawet wewnątrz źródła je emitującego. Neutrina znacznie łatwiej pokonują takie przeszkody.

„IceCube pozwala nam badać obszary Wszechświata, które mogą być nieprzejrzyste dla wysokoenergetycznego światła. Dzięki neutrinom otrzymujemy informacje, których nie jesteśmy w stanie uzyskać za pomocą obserwacji światła.”
— prof. dr hab. Julian Sitarek, Katedra Astrofizyki WFiIS UŁ

To właśnie dlatego astronomowie coraz częściej nie ograniczają się do obserwowania światła. Łączą informacje pochodzące z różnych „posłańców” – fotonów, neutrin, a także fal grawitacyjnych. Tak rozwija się astronomia wieloaspektowa (multi-messenger astronomy), pozwalająca spojrzeć na te same zjawiska z różnych perspektyw.

Kiedy neutrino spotyka teleskop MAGIC

Pełne wykorzystanie informacji dostarczanych przez IceCube wymaga współpracy z innymi obserwatoriami.

Jednym z przykładów jest Współpraca MAGIC, w której uczestniczy również Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ.

Teleskopy MAGIC obserwują promieniowanie gamma – światło o energiach nieporównywalnie większych niż światło widzialne. Kiedy IceCube wykrywa neutrino i wskazuje kierunek, z którego ono nadleciało, astronomowie mogą skierować w ten obszar również inne teleskopy.

Tak wydarzyło się w przypadku neutrina IceCube-170922A. Po jego wykryciu teleskopy MAGIC zaobserwowały rozbłysk promieniowania gamma pochodzący z aktywnej galaktyki TXS 0506+056.

Był to najistotniejszy przykład jednoczesnej obserwacji neutrina i promieniowania gamma pochodzących z tego samego kierunku.

Ale jeszcze ciekawszy jest inny przypadek.

IceCube wykrył ślad emisji neutrin z kierunku aktywnej galaktyki NGC 1068. Mimo kilkuletnich obserwacji teleskopy MAGIC nie wykryły jednak pochodzącego z niej wysokoenergetycznego promieniowania gamma.

To może oznaczać, że światło jest w tym źródle pochłaniane, podczas gdy neutrina mogą się z niego wydostać.

Dzięki nim możemy więc zajrzeć w miejsca, które dla światła pozostają ukryte.

Noblista odwiedził Łódź

Prof. Francis Halzen odwiedził Łódź już w 1988 roku, kiedy uczestniczył w konferencji V International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions. Był również współautorem wielu prezentacji przedstawianych podczas 31st International Cosmic Ray Conference, która odbyła się w Łodzi w 2009 roku.

Dziś jego wieloletnia praca nad IceCube i badaniami kosmicznych neutrin zostaje uhonorowana najwyższym wyróżnieniem w świecie nauki.

Co więcej, badania związane z neutrinami i wysokoenergetycznym promieniowaniem kosmicznym są również częścią działalności naukowej prowadzonej na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego.

To pokazuje, że współczesna astrofizyka nie jest już wyłącznie patrzeniem w niebo przez teleskop. Czasami trzeba spojrzeć przez kilometr antarktycznego lodu, aby zobaczyć to, czego nie potrafi pokazać światło.

Serdecznie gratulujemy prof. Francisowi Halzenowi oraz całej Współpracy IceCube!

Zaadaptowane na podstawie materiału przygotowanego przez prof. dr. hab. Juliana Sitarka, Katedra Astrofizyki, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego