Polowanie na neutrina

Dość szybko okazało się, że wiercenie gorącą wodą nie sprawdza się na pierwszych 50 m – w firnie, czyli zbitym śniegu. Woda wsiąkała w porowaty firn, rozlewała się na boki, praca szła powoli, zapasy paliwa kurczyły się szybko. Trzeba było znaleźć inny sposób na ten górny odcinek. Posłużyć się zwykłym, obrotowym wiertłem. Potem wyciągnąć linę i założyć dyszę plującą gorącą wodą.

Pod firnem zaczął się twardy lód. Tu gorąca woda radziła już sobie świetnie. Jęzor wrzątku wdzierał się w głąb dziarsko: 100, 200, 500, 1000 m. Niżej i niżej. Wreszcie: stop. To dolna część lodowej pokrywy. Nieco niżej zaczyna się już skała.

Dysza wraca na powierzchnię. Wywiercony otwór ma 60 cm średnicy i 2450 m długości. Niezwykła studnia w niezwykłym miejscu – na biegunie południowym. Wypełniona niezrównanie czystą wodą.

Informacja

Z ostatniej chwili! To druga z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Zanim studnia zamarznie, trzeba zainstalować czujniki. Już czekają, przytwierdzone do liny, która – obciążona – zanurkuje w czeluść. Po tygodniu sensory uwięzione będą w lodzie. Ale jedna dziura to mało. Ma ich być 86. W każdej 60 czujników wielkości piłki do koszykówki.

Ekipa rozpoczyna kolejny odwiert, montuje obrotowe wiertło, które wrzyna się w firn.

Mężczyźni i kobiety w czerwonych, dobrze widocznych na śniegu kombinezonach. 30 osób pracujących na trzy zmiany sześć dni w tygodniu przez pięć lat, od listopada do lutego, kiedy słońce nad Antarktyką nie zachodzi.

Zaczęli w roku 2005. W 2010 r. Ice Cube, największe na świecie obserwatorium neutrin, było gotowe.

 

***

Każdej sekundy przez centymetr kwadratowy ludzkiej skóry przelatuje kilkanaście albo i kilkadziesiąt miliardów neutrin. Przenikają nas na wylot, nie zmieniając toru lotu, podobnie jak mkną przez wodę, ogień, beton, stal, ziemską skorupę, płaszcz i jądro. Nie mają ładunku elektrycznego i niemal nic nie ważą, są lżejsze niż elektrony. Nie oddziałują prawie wcale z naszą zwykłą materią. My nie przeszkadzamy im ani one nam.

Choć czasem nasze światy się spotykają. Gdy neutrino zderzy się czołowo z protonem, powstają neutron i pozyton. Ten drugi ulega anihilacji, wpadając na swoją antycząstkę, czyli elektron. Towarzyszy temu emisja fotonów, które mogą zostać wykryte przez czujniki optyczne. To są sygnały z innego świata, który cały czas tu jest.

Teoretycznie istnienie neutrin pokazał Wolfgang Pauli w 1931 r. Eksperymentalnie dokonali tego 25 lat później Clyde Cowan i Frederick Reines. Umieścili oni dwa zbiorniki wody, o łącznej objętości 200 l, w pobliżu reaktora jądrowego, który może być źródłem neutrin. W wodzie pojawiły się drobne błyski. Gdy wyłączyli reaktor, błyski zniknęły. To proste doświadczenie zostało potem nagrodzone Noblem.

W 1968 r. udało się doświadczalnie zaobserwować neutrina pochodzące ze Słońca. Trzeba było użyć większego zbiornika: o objętości 100 tys. litrów. Wypełniono go tetrachloroetenem, czyli popularnym odplamiaczem. Neutrina o pochodzeniu słonecznym powodowały powstawanie w zbiorniku radioaktywnego izotopu argonu.

Naukowcy doskonale wiedzieli, że im większy i lepiej izolowany zbiornik, tym łatwiej będzie łapać neutrina. W 1983 r. Japończycy zbudowali obserwatorium Kamiokande kilometr pod ziemią, w nieczynnej kopalni. Objętość zbiornika: ­­3 mln litrów. Właśnie to urządzenie w roku 1987 wychwyciło neutrina, które doleciały do nas z eksplodującej gwiazdy supernowej w Wielkim Obłoku Magellana (galaktyki satelitarnej Drogi Mlecznej). Aż do zeszłego roku były to jedyne neutrina spoza Układu Słonecznego, jakie udało się ludziom zaobserwować.

 

***

Kamiokande to jednak mikrus w porównaniu z Ice Cube. Objętość lodu, na którego obszarze wybudowano antarktyczne obserwatorium, wynosi 2,5 km³, czyli 2,5 biliona litrów. Jest więc Ice Cube od Kamiokande prawie milion razy większe. Takie rozmiary były możliwe do uzyskania, bo nie trzeba było budować zbiornika.

Jak przyznaje prof. Francis Halzen, ojciec chrzestny przedsięwzięcia, sam pomysł, by zbudować wykrywacz neutrin bez zbiornika, jest stary: przedstawił go w roku 1960 radziecki fizyk Moisiej Markow. Ideą Markowa było zanurzenie sensorów w morzu. Halzen postąpił zgodnie z nią – zamienił tylko ciekłą wodę na lód.

Tłumaczy, że lód jest znacznie lepszy od wody, bo bardziej przejrzysty. Błyski niebieskiego światła, na które polują naukowcy, w zwykłej wodzie mogą przebyć odległość 2 m. W wodzie destylowanej – 8 m. W najczystszej wodzie, jaką można uzyskać w laboratorium – 80 m. A w antarktycznym biegunowym lodzie, który powstał ze starego, mającego 50 tys. lat śniegu – 200 m.

O tym jednak prof. Halzen nie wiedział, gdy inicjował pracę nad Ice Cube. Jak powiedział portalowi Space.com: miał po prostu trochę szczęścia. Biegunowa stacja naukowa Amundsen–Scott przechodziła na początku XXI w. modernizację i łapacz neutrin udało się zbudować niejako przy okazji. Szczęście mieli też glacjolodzy, którzy dowiedzieli się niejednego o Antarktydzie dzięki odwiertom: np. tego, że 2,5 km pod powierzchnią temperatura wynosi prawie 0°. Znaczy to, że nieco niżej jest już ciekła woda i lodowiec unosi się na niej, na podziemnych jeziorach i rzekach.

***

Ale czas przedstawić jeszcze jednego bohatera tej historii: promieniowanie kosmiczne. To pędzące niemal z prędkością światła naładowane cząsteczki, głównie protony. Odkrył je Victor Hess w roku 1912, podczas lotu balonem.

Cząstki promieniowania kos­micznego to przeciwieństwo neutrin. Te drugie są milkliwe, introwertyczne i uparte. Bardzo rzadko wdają się w interakcje, więc trudno je wykryć. Ale jak się je złapie, bez trudu można wskazać, skąd przyleciały, bo latają tylko prosto.

Promieniowanie kosmiczne jest zupełnie inne. Towarzyskie i podatne na wpływy. Wykryć je nietrudno. Cóż jednak z tego, kiedy reaguje gwałtownie na pole elektromagnetyczne, więc tor jego lotu pełen jest zakrzywień. Jeżeli promieniowanie kosmiczne przybyło z odległej przestrzeni kosmicznej, to po prostu nie wiemy, skąd dokładnie przyleciało. Owszem, część promieniowania kosmicznego o niskiej energii emitowana jest przez Słońce. Docierają do nas jednak także znacznie mocniejsze promienie kosmiczne z odległych rejonów wszechświata. I nie potrafimy wskazać ich źródła.

Ale mamy jedną drobną wskazówkę: wiemy, że promieniowanie kosmiczne może – zderzając się z materią – spowodować powstanie neutrin. I tu już dochodzimy do finału. 22 września 2017 r. sensory w lodzie Antarktyki zarejestrowały rozbłysk, którego źródłem było neutrino o bardzo wysokiej energii: 300 bilionów elektronowoltów. To kilkadziesiąt razy więcej, niż można uzyskać w potężnym LHC.

Minutę po tym wydarzeniu algorytm Ice Cube automatycznie wysłał informację do obserwatoriów astronomicznych na całym świecie – z dokładnym wskazaniem kierunku, w jakim należy szukać źródła neutrina. Najszybszy okazał się ­kosmiczny teleskop Fermi, nastrojony do promieni gamma. Ustalił on, że cząstka musiała przyfrunąć z oddalonego o 4 mld lat świetlnych blazara – aktywnej galaktyki z czarną dziurą pośrodku.

W tym momencie wszystko połączyło się w jedną całość. Blazar, jak olbrzymi akcelerator, przyspiesza protony, tworząc promieniowanie kosmiczne, które powoduje powstanie promieni gamma oraz neutrin.

Po 4 mld lat jedno neutrino przelatuje przez biegun południowy małej planety na rubieżach Drogi Mlecznej. Zderza się z ziemskim protonem, generując fotony, które wychwytują ukryte w lodzie czujniki. Teleskop na orbicie tej planety rejestruje rozbłyski gamma. A mieszkańcy planety cieszą się, że w końcu zidentyfikowali choćby jedno źródło promieniowania kosmicznego o wysokiej energii. No, może nie wszyscy się cieszą, ale Francis Halzen oraz ludzie w czerwonych, dobrze widocznych na śniegu kombinezonach – na pewno.

---

Zabajkalski wicediament 

W Rosji, na wschód od Bajkału, w Buriacji, republice autonomicznej, w rejonie bauntowskim, w pobliżu osiedla wiejskiego Uakit znaleziono meteo­ryt, który zawiera drobiny nigdy wcześniej niewidzianego na Ziemi minerału: uakitytu (tak został nazwany). Naukowcy szacują, że jest on niezwykle twardy – coś pomiędzy 9 a 10 w skali Mohsa. Jest wciąż miększy niż rekordzista twardości – diament (10 w skali Mohsa), ale niewiele mu brakuje. Sugerujemy więc, by otoczyć dyskretną opieką psychologiczną diamenty, które mogą czuć się zagrożone narastającą konkurencją z kosmosu.

Gwiazdoplanety

Nieudane gwiazdy – tak astronomowie nazywają czasem brązowe karły. Okrutne to miano. Wynika z niego, że brązowy karzeł pragnął zostać gwiazdą, ale mu nie wyszło. Zgromadził za mało materii, żeby rozpocząć termojądrowy cykl protonowy, przemianę wodoru w hel. Umie, owszem, zmieniać deuter w hel, ale to nie wystarcza, by być prawdziwą gwiazdą.

Z drugiej jednak strony brązowe karły nazywane bywają superplanetami. Są 13 do 80 razy masywniejsze od Jowisza, zasługują więc w pełni na to przezwisko.

To jakie są w końcu? Nieudane czy super? Jeżeli któryś brązowy karzeł zadaje sobie to pytanie, odpowiadamy: jesteście w sam raz! Skromniejsze i cichsze niż efekciarskie gwiazdy, ale dostojniejsze i bardziej majestatyczne niż planety. Po prostu idealne.

Pod innym księżycem

Oskarżać można oczywiście smartfony, wyścig szczurów, brak dzikich plaż lub przesadną higienę, ale prawdziwym winowajcą jest Księżyc. To przez niego tak trudno dziś o prawdziwą miłość.

Księżyc, który niegdyś inspirował kochanków, już się nam znudził i opatrzył. Tysiące razy widzieliśmy go w kinie lub telewizji, oglądaliśmy nawet filmy z lądowania na nim. Zużyliśmy go i podeptaliśmy buciorami, nic więc dziwnego, że przestał nas prowokować do romantycznych westchnień.

Gdyby jeszcze czasem obrócił się do nas drugą stroną – ale nie, ciąg­le wystawia na nasz widok tę samą połówkę, jak kinowy amant, który zna tylko jedną minę. Owszem, raz na wiele lat funduje nam zaćmienie, jednak spektakle te mają z góry określony przebieg – nic w nich zaskakującego. (To, że nauczyliśmy się przewidywać zaćmienia, możemy śmiało uznać za jeden z najgorszych błędów ludzkości; lecz tacy są naukowcy, nie potrafią zachować dyskretnego milczenia i psują innym zabawę).

A gdyby… Tak, na pewno pomyśleliście o tym samym! Nie bójmy się powiedzieć tego głośno: a gdyby jakoś pozbyć się Księżyca i zastąpić go ciekawszym satelitą? Można by tej podmiany dokonać dyskretnie, najlepiej podczas nowiu. Oczywiście trzeba by wybrać jakiś globik o podobnej wielkości. Choćby taką Io. Dziś jest ona księżycem Jowisza, nikt tam na nią nie patrzy, marnuje się. A jest znacznie fajniejsza niż Księżyc: po pierwsze złota, nie srebrna, a wiadomo, że złoto jest lepsze od srebra. Po drugie – i najważniejsze – ma wulkany. I to jakie! Te ziemskie są przy nich jak przenośny grill w porównaniu z piecem hutniczym. To są prawdziwe wrota piekieł. Niektóre plują siarką na wysokość 500 km. Wylewają się też z nich potężne rzeki lawy, przez co powierzchnia Io nieustannie się zmienia, pojawiają się żółtawe, zielonkawe, czerwonawe, białawe i czerniawe smugi oraz cienie.

Gdyby to cudeńko umieścić na okołoziemskiej orbicie zamiast tego bladego nudziarza, który przyświeca nam obecnie, nasze serca zatętniłyby wzmożonym tętentem! Io na nieboskłonie mieniłaby się niezwykłymi barwami i każda noc – o ile nie nazbyt pochmurna – byłaby, nawet w Skierniewicach, szalona niczym zabawy sylwestrowe TVP, TVN i Polsatu razem wzięte.

Któż by tego nie chciał?

Dlaczego więc właściwie tego nie zrobimy? Stare meble wywozi się przecież na działkę, nie robiąc wielkich ceregieli. Wysłużony, bezbarwny Księżyc powinien powędrować na orbitę Jowisza, a złociutką Io zapraszamy do nas.

Jest tylko jeden problem – Io umieszczona na miejscu Księżyca mogłaby się zmienić. Dziś jej wnętrze targane jest przez grawitację olbrzymiego Jowisza oraz jego satelitów: Europy, Ganimedesa i Kallisto. To źródło jej wulkanicznej aktywności. Nie ma szans, żeby Ziemia zastąpiła jej tamto towarzystwo. Na naszej orbicie nieprzewidywalna, romantyczna Io uspokoiłaby się i ustatkowała. Czy tego na pewno chcemy? Niech szaleje sobie dalej w dzikich ostępach Układu Słonecznego.

A komu Księżyc wydaje się nudny, niech zamknie oczy i pomyśli o Io.

Hity dla kosmity

Zacznijmy od tego, że Jonathon Keats jest trochę niepoważny. Wystarczy przypomnieć jego pomysł „pornografii dla Boga”. Artysta, tytułujący się mianem filozofa eksperymentalnego, zbudował w roku 2010 coś w rodzaju ołtarza, na którym transmitował to, co dzieje się w Wielkim Zderzaczu Hadronów – urządzeniu, które, w bardzo ograniczonej skali, może odtworzyć warunki panujące zaraz po Wielkim Wybuchu.

Miało to, zdaniem Keatsa, pobudzić Boga do tworzenia kolejnych wszechświatów.

Co za naiwny pomysł. Przecież Stwórca, gdyby potrzebował tego rodzaju podniet, raczej spojrzałby na to, co dzieje się we wnętrzach gwiazd neutronowych, a i tak przypominałoby to ledwo, ledwo gęstą bezczasowość prapoczątku.

Inne pomysły Keatsa były nie mniej dziwaczne. Prezentowanie sinicom zamkniętym w akwarium zdjęć wykonanych przez teleskop Hubble’a, aby sprowokować je do dokonywania astronomicznych odkryć. Albo zaprojektowanie wycieraczki, która miała spowodować, że kosmici będą się czuli mile widziani na naszej planecie. Istne wariactwo.

Jednak to, co pan Keats zaproponował ostatnio, jest nie tylko dziwaczne, ale także niebezpieczne. Artysta doszedł do wniosku, że najlepszym sposobem, by porozumieć się z innymi mieszkańcami kosmosu, jest muzyka. Zaprojektował więc kilka instrumentów, które miałyby temu szczytnemu celowi służyć.

Wielkie nieba, cóż za naiwność! Gust muzyczny jest tym, co dzieli nas bardziej, niż łączy – nie przypuszczajmy, że w kosmosie jest inaczej. Wyślemy kosmitom muzykę, a oni, zażenowani, owiną mackami swoje antenki. Co za solaro-disco – zaczną się natrząsać. I już nigdy nie będą nas darzyć należytym szacunkiem.

Marsjańska mrzonka Muska

Z najnowszych badań przeprowadzonych przez NASA wynika, że nie da się przemienić Marsa w planetę podobną do Ziemi, przyjazną dla ludzkiego osadnictwa. O ile przeciętnego człowieka wiadomość ta zapewne nie zdziwi, o tyle dla Elona Muska, szefa firmy SpaceX, jest to duży cios. Pan Musk snuł bowiem tego rodzaju plany. Trzy lata temu ogłosił, że wystarczy zrzucić bomby termo­jądrowe na marsjańskie bieguny, by uwolnić ukryte pod powierzchnią zasoby dwutlenku węgla i uruchomić efekt szklarniowy, który ociepli Czerwoną Planetę.

Była w tym pewna logika: ludzkość znana jest z tego, że potrafi powodować globalne ocieplenie klimatu. Zamiast się tym wyłącznie martwić, można wykorzystać to jako atut i podgrzać nieco inną, zbyt chłodną planetę i tam się przenieść.

NASA twierdzi jednak, że pomysł nie wypali, bo ukrytego pod powierzchnią Marsa dwutlenku węgla jest za mało.

Wygląda więc na to, że zamiast przerabiać Marsa na drugą Ziemię, musimy przekonać Ziemię, żeby pozostała Ziemią. I trudno to będzie uczynić za pomocą bomb.