หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2

หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์


          หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ (แสดงดังรูปที่ 3) มีชื่อเรียกอย่างง่ายว่า “ไอซ์คิวบ์ (IceCube)” เป็นเครื่องตรวจวัดรูปหกเหลี่ยมที่ทำมาจากน้ำแข็งของทวีปแอนตาร์กติกขนาด 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร ภายในเครื่องตรวจวัดบรรจุอุปกรณ์โมดูลแสงดิจิทัล (digital optical dodules: DOMs) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า “ดอม” ซึ่งมีลักษณะรูปร่างเป็นทรงกลมและมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 เซนติเมตร ภายนอกถูกครอบด้วยแก้วที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ ภายในบรรจุแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และหลอดทวีคูณแสงหรือพีเอ็มที (Photomultiplier tube: PMT) ขนาด 10 นิ้ว ดอมเหล่านี้ถูกร้อยเรียงผ่านเส้นลวด (string) ในแนวตั้งซึ่งถูกแช่แข็งไว้ใต้น้ำแข็งจำนวน 86 เส้น ที่ความลึกตั้งแต่ 1,450 เมตร จนถึง 2,450 เมตร เส้นลวดเหล่านี้ถูกจัดตำแหน่งอยู่ภายในรูปหกเหลี่ยมด้วยระยะห่างระหว่างเส้นลวด 125 เมตร และแต่ละเส้นประกอบด้วยดอมจำนวน 60 ดอม แต่ละดอมมีระยะห่างระหว่างกันในแนวดิ่ง 17 เมตร เพื่อใช้สำหรับตรวจวัดรังสีเชเรนคอฟจากอนุภาคมีประจุ (มิวออนเป็นส่วนใหญ่) ที่ผลิตจากอันตรกิริยาระหว่างนิวทริโนและนิวเคลียสของน้ำแข็ง ดอมแต่ละตัวจะทำการตรวจวัดแสงเหล่านี้และแปลงผลเป็นสัญญาณดิจิทัลพร้อมบันทึกเวลาและส่งไปยังระบบคอมพิวเตอร์ที่ติดตั้งอยู่ภายในห้องปฏิบัติการไอซ์คิวบ์บนพื้นผิวของทวีปแอนตาร์กติก เพื่อวิเคราะห์กลับไปสู่พลังงานของนิวทริโนและติดตามทิศทางของนิวทริโนย้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิดที่อยู่ห่างไกลออกไปในอวกาศ
            นอกจากนี้ กลุ่มเส้นลวดตรงตำแหน่งกลางของรูปหกเหลี่ยมจำนวน 8 เส้น ยังมีการปรับแต่งให้อยู่ใกล้กันหนาแน่นมากกว่าปกติเพื่อสร้างเครื่องตรวจวัดย่อยแกนลึก (DeepCore subdetector) สำหรับใช้ตรวจวัดนิวทริโนที่มีพลังงานขีดเริ่มต่ำลงมา (5-10 GeV) เพื่อใช้สำหรับการศึกษาการแกว่งกวัดของนิวทริโน (neutrino oscillation) และนิวทริโนจากการลุกจ้าของดวงอาทิตย์ (neutrinos from solar flares) [3,4] 


          ไอซ์คิวบ์ได้รับการออกแบบเพื่อทำหน้าที่ตรวจหาจุดกำเนิดของอนุภาคนิวทริโนนอกระบบสุริยะ เช่น ซุปเปอร์โนวา, หลุมดำ, พัลซาร์ ฯลฯ ในย่านพลังงานตั้งแต่ GeVจนถึง PeV (109-1015 eV) เพื่อศึกษากระบวนการผลิตอนุภาคพลังงานสูงทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์


          หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ถูกสร้างเสร็จสมบูรณ์ในปี ค.ศ. 2011 หลังจากนั้นในปี ค.ศ. 2013 ไอซ์คิวบ์ก็ค้นพบฟลักซ์ของอนุภาคนิวทริโนเชิงดาราศาสตร์ฟิสิกส์ (astrophysical neutrino) ที่มีพลังงานสูงเป็นครั้งแรกของโลก [5] โดยพบนิวทริโนที่มีพลังงานมากกว่า 100 TeVถึง 9 เหตุการณ์ และมีสองเหตุการณ์ที่มีพลังงานสูงกว่า 1 PeVซึ่งเป็นระดับพลังงานที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้จากแหล่งกำเนิดใด ๆ ในระบบสุริยะ การค้นพบครั้งนี้จึงเป็นการค้นพบนิวทริโนจากแหล่งกำเนิดนอกกาแล็กซีทางช้างเผือกเป็นครั้งแรก


          ในอีก 4 ปีถัดมา เมื่อวันที่ 22 กันยายน ค.ศ. 2017 ไอซ์คิวบ์สามารถระบุแหล่งที่มาของนิวทริโนเชิงดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้เป็นครั้งแรกจากเหตุการณ์ตรวจพบนิวทริโนพลังงานสูง (~290 TeV) จากเหตุการณ์การเกิดการลุกจ้าของรังสีแกมมา (flaring gamma-ray) ของเบลซาร์ TXS 0506+056 [6] ซึ่งอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะ 4 พันล้านปีแสง 


          นอกจากนี้การตรวจพบนิวทริโนพลังงานสูง 290 TeV ดังกล่าวถือว่าเป็นการเปิดศักราชของดาราศาสตร์พหุพาหะ (multi-massenger astronomy) อีกด้วย เนื่องจากเมื่อไอซ์คิวบ์ได้ตรวจพบเหตุการณ์นี้ระบบแจ้งเตือนอัตโนมัติของไอซ์คิวบ์ก็ได้ส่งการแจ้งเตือนไปทั่วโลกภายในเวลาไม่เกิน 1 นาที ต่อมาในวันที่ 28 กันยายน ค.ศ. 2017 กล้องโทรทรรศน์อวกาศเฟอร์มี-แลต (Fermi Large Area Telescope: Fermi-LAT) ก็ได้รายงานว่านิวทริโนที่ไอซ์คิวบ์ตรวจพบได้นี้มีทิศทางสอดคล้องกับทิศของแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาที่เฟอร์มี-แลตตรวจพบด้วย ในขณะที่กล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมาของหอสังเกตการณ์เมจิก (MAGIC) ก็รายงานการตรวจพบรังสีแกมมาเช่นเดียวกัน [7] นอกจากนี้การค้นพบนี้ก็สอดคล้องกับการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงโดยหอสังเกตุการณ์ไลโก (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory: LIGO) และมาตรแทรกสอดเวอร์โก (Virgo interferometer) [8]  อีกทั้งยังได้รับการยืนยันการตรวจพบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงรังสีเอ็กซ์ ช่วงแสงที่ตามองเห็น และช่วงคลื่นวิทยุจากหอสังเกตการณ์อื่น ๆ เพิ่มเติมอีกด้วย [7]


          และในปี ค.ศ. 2022 ไอซ์คิวบ์ได้ตรวจพบและสามารถระบุแหล่งกำเนิดของนิวทริโนเชิงดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้อีกหนึ่งแห่ง ที่บริเวณใกล้ ๆ กับกาแล๊กซีกัมมันต์ (nearby active galaxy) NGC 1068 หรือที่รู้จักกันในนามเมสสิเออร์ 77 (Messier 77) ที่อยู่ห่างจากโลกไปเป็นระยะ 47 ล้านปีแสง [9] การค้นพบนี้ช่วยเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมของหลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black holes) ในกาแล็กซีกัมมันต์ และชี้ให้เห็นว่า NGC 1068 สามารถใช้เป็นจุดอ้างอิงสำหรับหอสังเกตการณ์นิวทริโนในอนาคต เทคนิคการวิเคราะห์ที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้ปูทางไปสู่โครงการในอนาคตอันใกล้ของเครื่องตรวจวัดที่มีความไวมากขึ้น เรียกว่าโครงการ “ไอซ์คิวบ์รุ่นที่ 2” หรือ “ไอซ์คิวบ์เจนทู (IceCube Gen2)” ซึ่งจะเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญอีกขั้นหนึ่งของการตรวจวัดนิวทริโนเชิงดาราศาสตร์พลังงานสูงจากอวกาศ


          ล่าสุดในวันที่ 29 มิถุนายน ค.ศ. 2023 ที่ผ่านมานี้ ไอซ์คิวบ์ได้ตีพิมพ์การตรวจพบนิวทริโนพลังงานสูงที่กำเนิดจากภายในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราเป็นครั้งแรก และอีกครั้งที่การค้นพบนี้สอดคล้องกับการตรวจพบรังสีแกมมา [10] การค้นพบนิวทริโนพร้อมกับรังสีแกมมาในครั้งนี้ช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับอันตรกิริยาของรังสีคอสมิกภายในกาแล็กซีทางช้างเผือก เมื่อรังสีคอสมิกชนกับตัวกลางระหว่างดาวฤกษ์ในกาแล็กซีทางช้างเผือกจะผลิตทั้งอนุภาคไพออนที่ไร้ประจุ (p⁰) และไพออนที่มีประจุ (p^±) ออกมา ในขณะที่ไพออนไร้ประจุจะสลายตัวให้รังสีแกมมา สำหรับไพออนที่มีประจุจะสลายตัวให้นิวทริโนออกมา การค้นพบครั้งนีนำไปสู่การค้นพบตำแหน่งที่เกิดอันตรกิริยาของรังสีคอสมิกกับตัวกลางระหว่างดวงดาวของกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา