IceCube: Detektor Neutrino yang Berhasil Mendeteksi Keberadaan Sumber Neutrino Berenergi Tinggi (Blazar)

Kisah sukses IceCube dalam keberhasilannya mendeteksi keberadaan Blazar melalui neutrino berenergi tinggi yang sekarang sedang ramai diperbincangkan oleh berbagai media, tidak lepas dari perjuangan panjang dalam proses pembangunan detektornya. Proyek besar IceCube yang terletak di Amundsen-Scott, Kutub Selatan, Antartika, diawali dengan pembangunan AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) pada awal tahun 1990-an. AMANDA mulai beroperasi penuh pada tahun 2000 dan berakhir operasi secara total pada tahun 2009. Selama 9 tahun beroperasi AMANDA untuk setiap tahunnya berhasil mendeteksi sekitar 1000 partikel neutrino, tetapi kisah buruknya adalah semua neutrino tersebut tidak satupun yang berasal dari kosmos jauh, apalagi berasal dari Blazar^[1][2][3]. Ditengah-tengah AMANDA beroperasi tersebut yaitu tahun 2004 barulah proyek IceCube dibangun hingga selesai pada 2011, kisah selengkapnya baca artikel Berkenalan dengan ‘IceCube’, Detektor Neutrino Tercanggih di Kutub Selatan Antartika.

IceCube dibangun memiliki tujuan besar dalam upaya mencari keberadaan sumber-sumber penghasil neutrino berenergi tinggi yang berasal dari alam semesta nan jauh. Neutrino merupakan partikel elementer tidak bermuatan (memiliki 3 rasa [jenis] yaitu neutrino elektron, muon, dan tau) memiliki sedikit massa dan sangat jarang berinterksi dengan materi oleh karena itu tidak akan terpengaruh oleh medan magnet paling kuat sekalipun. Neutrino-neutrino berenergi tinggi tersebut tidak dipengaruhi oleh medan magnet, sehingga dengan super cepat (kecepatan relativistik) bergerak menembus alam semesta yang berjarak jutaan hingga milyaran tahun cahaya menuju bumi tanpa halangan sama sekali. Sifat-sifat yang dimiliki tersebut benar-benar menjadi cita-cita besar ilmuwan dalam upaya membangun IceCube untuk mencari sumber penghasil neutrino berenengi tinggi langsung ke sumber asalnya yang sangat penting dalam mempelajari alam semesta^[1][3][4].

Cerita panjang pencarian neutrino berenergi tinggi di Kutub Selatan, Antartika, diawali dari kisah pemenang Nobel Fisika pada tahun 1936 oleh Victor F. Hess (Ilmuwan Austria) yang berjasa dalam pencarian partikel berenergi tinggi yang kemudian dikenal sebagai sinar kosmis. Pencarian tersebut diawali dari tahun 1912, ketika Hess berhasil membuktikan bahwa radiasi-radiasi latar itu bukan berasal dari Bumi maupun Matahari. Pengujian yang beliau lakukan yaitu melalui serangkaian pendakian balon udara. Berdasarkan yang sudah diketahui oleh teorinya jika radiasi latar tersebut memang berasal dari Bumi, ketika balon udara Hess semakin tinggi harusnya jumlah radiasi semakin sedikit.

Diawali dari pengukuran dengan ketinggian 1000 meter dari bumi dan jumlahnya pun semakin meningkat, kemudian ketinggian ditingkatkan lagi menjadi 5 kilometer dan ternyata jumlahnya pun semakin meningkat beberapa kali lipat. Tidak hanya itu beliau juga mencoba mengukur tingkat intensitas radiasi pada malam hari, dimana posisi bumi tempat beliau melakukan pengukuran tidak sedang berhadapan dengan matahari. Hasilnya sama saja jumlah radiasi tidak menurun sama sekali. Tidak puas dari pengukuran itu, Hess melanjutkan lagi dengan pengukuran saat terjadi gerhana matahari pada 12 April 1912 dengan naik balon udara hingga 2-3 kilometer dari bumi, dan hasilnya pun sama saja tidak ada penurunan intensitas radiasi. Dari hasil pengukuran-pengukuran tersebut ditarik sebuah kesimpulan penting bahwa radiasi latar itu bukan berasal dari bumi maupun matahari, tetapi dari sumber sinar kosmis yang jauh. Berkat kerja keras itulah akhirnya Victor F. Hess dan Carl D. Anderson diganjar hadiah nobel pada tahun 1936^[5].

Teka-teki dari mana asal sinar kosmis berenergi tinggi tersebut, baru terpecahkan setelah 1 abad kemudian oleh IceCube. Tepat pada tanggal 13 Juli 2018, terbit dua paper di jurnal Science, berjudul “Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert” dan “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A“, yang diterbitkan oleh Kolaborasi Ilmuwan di IceCube. Dalam kedua paper tersebut menyatakan bahwa ilmuwan di IceCube telah berhasil untuk pertama kalinya membuktikan bahwa neutrino berenergi tinggi berasal dari sebuah Blazar^[6][7]. Yeay, 100 tahun lebih menunggu akhirnya terbuka jalan terang, tentunya Hess akan sangat senang sekali jika beliau masih hidup mendengar kabar ini.

Kita sudah sama-sama tahu bahwa Neutrino memiliki sedikit massa dan kemudian sangat jarang berinteraksi dengan materi sehingga tidak akan terpengaruhi oleh medan magnet paling kuat sekalipun. Dari sifat-sifat penting inilah, para ilmuwan dapat menelusuri jejak dari mana sumbernya. Lintasan neutrino yang lurus melintasi alam semesta dengan jarak milyaran tahun cahaya dari sumber menuju bumi menjadi jalan untuk para ilmuwan menelusuri kembali jejak asalnya. Ketika neutrino melintasi alam semesta yang jauh tersebut, mereka membawa informasi penting dari sumbernya dan tidak akan hilang selama perjalanan menuju bumi^[8]. Setelah ditelusuri melalui kolaborasi teleskop berbasis di Bumi maupun di Luar Angkasa, para astronom berhasil mengkonfirmasi bahwa Blazar itu adalah TXS 0506+056 yang terletak di langit malam diluar bahu kiri rasi bintang Orion dan berjarak sekitar 4 miliar tahun cahaya dari Bumi^[6][7].

Blazar berasal dari sebuah galaksi yang memiliki lubang hitam supermasif pada intinya dengan salah satu jet kuat (suar) mengarah (satu garis lurus) ke bumi. Lubang hitam pada galaksi supermasif tersebut memiliki massa jutaan hingga milyaran kali lebih berat dari matahari kita. Mereka disebut juga sebagai inti galaksi aktif (Active Galactic Nuclei atau AGN), karena sebagai mesin pemercepat partikel (particle accelerator) paling kuat di alam semesta. Sebagai bandingan, kuat energi yang dihasilkan oleh Blazar yang dideteksi oleh IceCube tersebut, memiliki energi sekitar 300 TeV (Terra elektron Volt) atau setara dengan 40x lebih kuat dari pada energi yang dihasilkan oleh pemercepat partikel paling kuat hasil buatan manusia di bumi yaitu LHC (Large Hadron Collider).

Peristiwa munculnya jet kuat dari hasil muntahan pada lubang hitam, terjadi ketika melahap sebuah bintang atau benda-benda yang tersedot oleh gravitasinya yang luar biasa besar. Pada saat yang bersamaan, lubang hitam tersebut akan menghasilkan 2 jet kuat (suar) pada sumbu rotasinya dan salah satunya menuju bumi. Pada jet kuat yang dihasilkan oleh lubang hitam tersebut berupa berbagai macam radiasi berenergi tinggi, seperti gelombang radio, sinar x, sinar gamma, dan termasuk neutrino sebagai produk sampingannya. Suar ini dapat kita analogikan sebagai sinar laser satu garis lurus mengarah ke kita dari jarak yang sangat jauh, lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 3 diatas. Produk-produk muntahan dan sampingan berupa radiasi berenergi tinggi inilah yang dideteksi oleh instrumen manusia di bumi, termasuk IceCube sebagai pencari neutrino yang berasal dari Blazar^[8][9][10].

Kisah pendeteksian neutrino berenergi tinggi yang membawa sekitar 300 TeV enenrgi hingga berakhir pada Blazar TXS 0506+056 tersebut, diawali dengan pendeteksian pada tanggal 22 September 2017 oleh IceCube-170922A. Pada saat bersamaan, Blazar TXS 0506+056 juga memancarkan sinar gamma berenergi tinggi yang berhasil dideteksi oleh teleskop Fermi-LAT milik KIPAC (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology), Universitas Stanford^[6][7][10]. Kemudian setelah teleskop Fermi, proses konfirmasi sinar gamma yang berasal dari Blazar tersebut dilanjutkan oleh teleskop MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope) di Kepulauan Canary, Spanyol. Dari 2 teleskop besar tersebut kemudian menjadi informasi penting bagi teleskop-teleskop lain, baik yang berbasis di darat (Ground Telescope) maupun luar angkasa (Space Telescope). Sehingga, jika ditotalkan keseluruhan teleskop yang ikut memantau berbagai radiasi latar dari Blazar tesebut berjumlah 15 teleskop. Adapun kelima belas teleskop tersebut adalah Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S, INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, dan VLA/17B-403 teams^[7].

Hasil ini menjadi sangat penting dalam dunia astrofisika, karena benar-benar membuka jalan baru untuk mempelajari alam semesta yang maha luas ini. Temuan tersebut membantu para ilmuwan dalam menentukan massa neutrino secara lebih tepat, menemukan jenis neutrino lain yaitu neutrino sterile^[12], hingga mendeteksi materi gelap (Dark Matter)^[10]. Selamat dan bravo untuk tim Ilmuwan di IceCube, dan masih banyak neutrino berenenrgi tinggi lainnya yang sedang mereka analisis, kita nantikan saja.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=wfVM6To7XfE[/embedyt]

 

Referensi:

1.  Klein, Spencer. 2011. “IceCube: The Polar Particle Hunter“. IEEE Spectrum, 26 Januari 2011 (https://spectrum.ieee.org/aerospace/astrophysics/icecube-the-polar-particle-hunter) diakses pada tanggal 22 Juli 2018
2. University of Wisconsin Madison, Construction (https://icecube.wisc.edu/science/icecube/construction) diakses pada tanggal 22 Juli 2018
4. Particle Adventure, Neutrinos (http://www.particleadventure.org/neutrinos.html) diakses pada tanggal 23 Juli 2018
5. Nobel Lecture. 1936. “Unsolved Problems in Physics: Tasks for the Immediate Future in Cosmic Ray Studies“. Nobelprize.org, 12 Desember 1936 (https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1936/hess-lecture.html) diakses pada tanggal 23 Juli 2018
6. IceCube Collaboration. 2018. “Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert“. Science (Reserach Article), 13 Juli 2018 (paper)
7. The IceCube Collaboration et al. 2018. “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A“. Science (Reserach Article), 13 Juli 2018 (paper)
8. KIPAC (SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University), Blazars and Active Galactic Nuclei (https://kipac.stanford.edu/research/topics/blazars-and-active-galactic-nuclei) diakses pada tanggal 29 Juli 2018
9. University of Wisconsin Madison. 2018. “More than century-old riddle resolved—a blazar is a source of high-energy neutrinos“. PhysOrg, 12 Juli 2018 (https://phys.org/news/2018-07-century-old-riddle-resolveda-blazar-source.html#nRlv) diakses pada tanggal 29 Juli 2018
10. Moskvitch, Katia. 2018. “Neutrinos Linked With Cosmic Source for the First Time“. Quanta Magazine, 12 Juli 2018 (https://www.quantamagazine.org/neutrinos-linked-with-cosmic-source-for-the-first-time-20180712/) diakses pada tanggal 29 Juli 2018
11. IceCube Collaboration. 2018. “IceCube neutrinos point to long-sought cosmic ray accelerator“. IceCube-South Pole Neutrino Observatory (University of Wisconsin Madison), 12 Juli 2018 (https://icecube.wisc.edu/news/view/586) diakses pada tanggal 29 Juli 2018
12.  Devitt, Terry. 2018. “IceCube search for the ‘sterile neutrino’ draws a blank“. IceCube-South Pole Neutrino Observatory (University of Wisconsin Madison), 8 Agustus 2016 (https://icecube.wisc.edu/news/view/438) diakses pada tanggal 29 Juli 2018