Perché gli scienziati colpiscono un telescopio nelle parti più profonde dell'oceano / telescopi

Nel 2006, gli scienziati che lavoravano al telescopio per neutrini ANTARES si trovarono di fronte a un problema: i loro strumenti nuovi di zecca stavano osservando molto più luce di quanto si aspettassero. Ciò era particolarmente confuso dato che ANTARES è affondato nell'acqua nera come la pece, a due chilometri e mezzo sotto il Mar Mediterraneo.

Vedete, questo non è un normale telescopio a scansione stellare. Piuttosto che cacciare oggetti cosmici distanti, l'osservatorio ANTARES utilizza dispositivi altamente sensibili alla luce per rilevare qualcosa dallo spazio proprio qui sulla terra: la luce emessa da un neutrino cosmico - una particella subatomica, molto simile a un elettrone senza carica - mentre passa attraverso l'acqua di mare.

I fisici di ANTARES sapevano quando iniziarono a vedere un po 'di luce da altre fonti, come i pesci di acque profonde. Ma il bagliore che stavano vedendo era abbastanza intenso da ostacolare il loro lavoro. Da dove potrebbe venire?

Fortunatamente, a differenza della maggior parte degli osservatori, ANTARES impiega oceanografi, geologi, biologi marini e climatologi oltre agli astrofisici. Con ulteriori studi, questi esperti hanno scoperto che la luce proveniva da una massiccia fioritura di batteri bioluminescenti in acque profonde, agitata dall'acqua che veniva trasportata dalla superficie al profondo.

Quello che prima sembrava essere un posto di blocco si rivelò una svolta: per i loro studi sulla fioritura del mare profondo, la collaborazione ANTARES fu premiata dalla rivista scientifica La ricerca, che assegna ogni anno una ricerca scientifica esemplare, nel 2014. La loro era la più lunga osservazione di una simile fioritura nel mare profondo, e senza ANTARES, gli scienziati probabilmente lo avrebbero mancato.

Questo è ciò che rende questo osservatorio così straordinario; è una vera collaborazione interdisciplinare, che fornisce dati per un gruppo di campi che altrimenti potrebbero sembrare selvaggiamente scollegati.

"Questa è la parte divertente di questo lavoro, perché quando parli del mio progetto con gli oceanografi, dicono, 'un telescopio, davvero?'" Dice Severine Martini, ricercatrice presso il Monterey Bay Research Institute che ha usato ANTARES per i suoi studi di bioluminescenza batteri. Era nel gruppo che studiava la fioritura batterica dei mari profondi. "Nel frattempo, quando parliamo di bioluminescenza e di fenomeni oceanografici agli astrofisici, otteniamo una sorta di sguardi vuoti. Ma questa è la parte buona del lavorare con campi diversi. Stiamo cercando di risolvere diversi problemi, ma stiamo lavorando insieme ".

Il fondo dell'oceano potrebbe sembrare una strana scelta di posizione per un telescopio. Ma quando cerchi i neutrini, il mare profondo è in realtà il luogo ideale da cui cercare.

Gli astrofisici sono affascinati dai neutrini cosmici, che si ritiene siano prodotti da avvenimenti ad alta energia e violenti nello spazio; le sole due fonti confermate sono il sole e una supernova lontana, ma i fisici sono desiderosi di scoprire da dove provengono queste particelle. Il problema è che i neutrini sono solo una delle tante particelle che bombardano costantemente la terra e, a differenza di molte di queste altre particelle, come i raggi X oi raggi cosmici, i neutrini interagiscono solo molto debolmente con la materia, rendendoli particolarmente difficili da rilevare nel rumore.

A peggiorare le cose, i neutrini vengono prodotti anche nell'atmosfera e possono essere difficili da distinguere dalle loro controparti cosmiche.

Qui è dove entra l'oceano. I neutrini sono le uniche particelle che possono passare direttamente attraverso la terra stessa, quindi ANTARES usa la terra come scudo, cercando particelle di muoni "rivolte verso l'alto" molto simili agli elettroni, ma senza massa: quei neutrini produrre mentre passano attraverso la terra. Per rilevare questi muoni, i fotomoltiplicatori dell'osservatorio cercano uno scoppio di luce chiamato radiazione Cherenkov, prodotta quando una particella carica si muove più velocemente della velocità della luce nell'acqua.

Posizionare un telescopio di neutrini sul fondo del mare è quindi come posizionarlo tra due filtri, che filtrano solo ciò che è interessato alla registrazione.

Quindi, mettere il telescopio sul fondo del mare lo rende teoricamente più utile per osservare lo spazio esterno, ma lo rende anche molto più utile per osservare il fondo del mare. "In senso lato, stiamo aprendo una nuova finestra sull'universo", afferma Antoine Kouchner, professore e ricercatore in cosmologia presso l'Université Paris Diderot e portavoce della collaborazione ANTARES. "Ma essere un osservatorio collegato a terra consente di monitorare e dati in tempo reale. Ed è qui che diventa interessante la scienza del mare. "

La maggior parte delle informazioni dal mare profondo arriva in piccoli morsi; di solito, gli strumenti o i veicoli vengono inviati sul fondo solo per poche ore alla volta. Di conseguenza, le informazioni sul mare profondo sono solitamente disperse e disconnesse, sia nello spazio sia nel tempo.

Al contrario, l'osservatorio ANTARES ha trasmesso i dati costantemente, giorno dopo giorno, nel corso degli anni. Questa informazione potrebbe rivelarsi particolarmente rilevante per gli scienziati che studiano il cambiamento climatico, che hanno bisogno di set di dati che si estendono per molti anni al fine di vagliare ciò che sta cambiando in un oceano di riscaldamento.

"Fondamentalmente, avere una presa elettrica e un cavo Ethernet disponibili a 2500m di profondità è un grande passo in avanti per gli studi scientifici sulla terra e sul mare", ha scherzato Paschal Coyle, astrofisico delle particelle ed ex portavoce della collaborazione. "È stata una sorpresa per me che questa comunità non stesse già facendo ciò che stavamo facendo".

Grazie ai numerosi sensori forniti da ANTARES - monitoraggio di ossigeno, temperatura, pressione, salinità, attività sismica e molto altro - l'ambito dei progetti non fisici di ANTARES è ora ampio, dal monitoraggio del flusso di sedimenti sul fondale marino alla registrazione delle chiamate al capodoglio mentre cacciano nel profondo.

E stanno ancora studiando quei minuscoli punti luminosi che facevano rumore agli astrofisici. Durante il suo dottorato all'Istituto Mediterraneo di Oceanografia, Martini ha scoperto una nuova forma di batteri bioluminescenti che ha osservato quasi continuamente nel profondo usando ANTARES. Nel suo documento più recente, a novembre, Martini ha descritto l'attività di bioluminescenza di questi batteri per un anno consecutivo utilizzando i dati ANTARES. Scoprì che i batteri emettevano luce anche in condizioni stabili e che i batteri bioluminescenti erano più attivi dei batteri nel loro insieme, suggerendo che l'emissione di luce fornisce una sorta di beneficio ecologico.

"Penso che sia interessante perché abbiamo scoperto qualcosa che nessuno avrebbe mai cercato", ha detto Martini. "Il ruolo ecologico della bioluminescenza è ben descritto per molti macroorganismi, ma per i batteri non sappiamo ancora perché emettano luce". Una teoria suggerisce che il batterio risplenda quando molti di questi si legano alle particelle di cibo, in la speranza di attirare un animale più grande e affamato come un pesce. Per un batterio, essere mangiato è una buona cosa, poiché in seguito può essere espulso può aiutare a diffondersi in nuovi ambienti.

Il prossimo passo per ANTARES è grande: la collaborazione sta costruendo un nuovo osservatorio, soprannominato KM3NeT. Il nuovo osservatorio sarà 50 volte più grande di ANTARES e si trova in tre siti, in Francia, in Sicilia e in Grecia. Durante i suoi dieci anni di attività, ANTARES non ha avuto successo nel rilevare i neutrini cosmici; con il nuovo osservatorio, i collaboratori sperano finalmente di risolvere il puzzle dell'origine delle particelle e di saperne di più sulle loro proprietà fondamentali.

Inoltre, la comunità di scienze marine e della terra è stata coinvolta nello sviluppo di KM3NeT sin dall'inizio. Le nuove stazioni ospiteranno ancora più sensori, tra cui una telecamera fatta per rilevare la vita, i rilevatori di radioattività e un veicolo telecomandato, che Coyle, che funge da portavoce per il nuovo osservatorio, rispetto al robot Disney Wall-E- che sarà in grado di esplorare il fondale marino e filmare ciò che trova.

"Il potenziale della scienza interdisciplinare e sinergica con gli osservatori marini cablati in acque profonde è enorme", ha affermato Coyle. "ANTARES ha aperto la strada e sono certo che molte sorprese su questo fronte saranno imminenti."

Con gli oceani che assorbono enormi quantità di calore e acidificano il diossido di carbonio, i cambiamenti sembrano quasi certi. Ma con questi osservatori collaborativi che controllano costantemente l'agire, come dice Coyle, come "i guardiani dell'abisso", forse non saranno così sorprendenti.