Hvorfor forskere sank et teleskop inn i de dypeste delene av havet / teleskoper

I 2006 fant forskere som jobbet med ANTARES neutrino teleskop seg overfor et problem: deres splitter nye instrumenter var observere langt mer lys enn de hadde forventet. Dette var spesielt forvirrende gitt at ANTARES sank i vanntett vann, to og en halv kilometer under Middelhavet.

Du skjønner, dette er ikke noe vanlig stjerne-skanning teleskop. I stedet for å jakte på fjerne kosmiske gjenstander, bruker ANTARES observatoriet svært lysfølsomme enheter for å oppdage noe fra verdensrommet akkurat her på jorden: lyset avgitt av en kosmisk neutrino-en subatomisk partikkel, som en ladningsfri elektron, som den passerer gjennom sjøvann.

ANTARES-fysikerne visste da de begynte at de kanskje ser litt lys fra andre kilder, som havfiske. Men gløden de så på, var intenst nok til å hindre sitt arbeid. Hvor kunne det komme fra?

Heldigvis bruker ANTARES, i motsetning til de fleste observatorier, havforskere, geologer, marinebiologer og klimatologer i tillegg til astrofysikere. Med videre studier oppdaget disse ekspertene at lyset kommer fra en massiv blomstring av dyphavs bioluminescerende bakterier, rørt til handling av vann som ble transportert fra overflaten til dypet.

Det som først syntes å være en veisperring, viste seg å være et gjennombrudd. For deres studier av dyphavsblomsten ble ANTARES-samarbeidet tildelt en spesiell premie av vitenskapsmagasinet La Recherche, som tildeler eksemplarisk vitenskapelig forskning årlig, i 2014. De var den lengste noensinne observasjon av en slik blomst i dyphavet, og uten ANTARES hadde forskere sannsynligvis savnet det.

Dette er det som gjør dette observatoriet så ekstraordinært; Det er et ekte tverrfaglig samarbeid, og gir data for en gruppe felt som ellers kan virke villig sammenkoblet.

"Det er den morsomme delen av dette arbeidet, for når du snakker om prosjektet mitt med havforskere, sier de," et teleskop, egentlig? "Sier Severine Martini, forsker ved Monterey Bay Research Institute, som har brukt ANTARES for hennes studier av bioluminescerende bakterie. Hun var blant gruppen som studerte dyphavs bakteriell blomstring. "I mellomtiden, når vi snakker om bioluminescens og oceanografiske fenomener til astrofysikere, får vi en slags tomt utseende. Men det er den gode delen av å jobbe med ulike felt. Vi prøver å løse forskjellige problemer, men vi jobber sammen. "

Bunnen av havet kan virke som et merkelig valg av plassering for et teleskop. Men når du er ute etter nøytriner, er dyphavet faktisk det ideelle stedet å søke.

Astrofysikere er fascinert av kosmiske nøytriner, som antas å være produsert av høy energi og voldsomme hendelser i rommet; De eneste to bekreftede kildene er solen og en fjern supernova, men fysikere er ivrige etter å finne ut hvor ellers disse partiklene kommer fra. Problemet er at nøytriner er bare en av de mange partiklene som bombarderer jorden - og i motsetning til mange av disse andre partiklene, som røntgenstråler eller kosmiske stråler, virker neutriner bare svært svake med materie, noe som gjør dem spesielt vanskelige å oppdage blant støyen.

For å gjøre saken verre, blir også nøytriner produsert i atmosfæren, og kan være vanskelig å skille fra sine kosmiske kolleger.

Her er hvor havet kommer inn. Neutrinoer er de eneste partiklene som kan passere rett gjennom selve jorden, slik at ANTARES bruker jorden som skjold, søker etter «oppadgående» muonspartikler som ligner på elektroner, men uten masse - de nøytriner produsere når de passerer opp gjennom jorden. For å oppdage disse muene, ser observatoriets fotomultiplikatorer etter en liten utbrudd av lys som kalles Cherenkov-stråling, produsert når en ladet partikkel beveger seg raskere enn lysets hastighet i vann.

Plassering av et neutrino-teleskop på bunnen av sjøen er derfor som å plassere det mellom to strainer, som bare filtrerer ut det det er interessert i å ta opp.

Så å sette teleskopet på bunnen av havet teoretisk gjør det mer nyttig for å observere ytre rom - men det gjør det også mye mer nyttig for å observere bunnen av havet. "I bred forstand åpner vi et nytt vindu på universet," sier Antoine Kouchner, professor og forsker i kosmologi ved Université Paris Diderot, og talsmann for ANTARES-samarbeidet. "Men å være et observatorium som er kablet til land, muliggjør sanntidsdata og overvåkning. Og det er der det blir interessant for sjøvitenskap. "

De fleste informasjoner fra dyphavet kommer i små biter; Vanligvis sendes instrumenter eller kjøretøy til bunnen for bare noen få timer om gangen. Informasjon om dyphavet er derfor vanligvis spredt og frakoblet, både romlig og midlertidig.

I motsetning har ANTARES observatoriet overført data kontinuerlig, dag inn og dag ut, gjennom årene. Denne informasjonen kan vise seg å være spesielt relevant for forskere som studerer klimaendringer, som trenger datasett som strekker seg over mange år for å sive ut det som endrer seg i et oppvarmet hav.

"Å ha en elektrisk støpsel og en Ethernet-kabel tilgjengelig på 2500m dybde er i utgangspunktet et stort skritt fremover for jord- og sjøvitenskapsstudier," spøkte Paschal Coyle, partikkel astrofysiker og tidligere talsmann for samarbeidet. "Det var en overraskelse for meg at dette fellesskapet ikke allerede gjorde det vi gjorde."

Takket være de mange sensorene ANTARES gir, overvåker oksygen, temperatur, trykk, saltholdighet, seismisk aktivitet og mye mer, er omfanget av ikke-fysiske prosjekter på ANTARES nå bredt fra å spore sedimentstrømmen på havbunnen til opptak av spermhvalseanrop som de jakter i dypet.

Og de studerer fortsatt de små lyspunktene som var støy til astrofysikere. Under hennes Ph.D. ved Middelhavet Institute of Oceanography, oppdaget Martini en ny form for bioluminescerende bakterier som hun har observert nesten kontinuerlig i dypet ved bruk av ANTARES. I hennes siste papir, i november, beskrev Martini bioluminescensaktiviteten til disse bakteriene i et påfølgende år ved bruk av ANTARES-data. Hun fant ut at bakteriene ga ut lys selv under stabile forhold, og at bioluminescerende bakterier var mer aktive enn bakterier som helhet-forslag om at lysutslipp gir en slags økologisk fordel.

"Jeg synes det er interessant fordi vi oppdaget noe ingen ville ha lurt etter," sa Martini. "Bioluminescens økologiske rolle er godt beskrevet for mange makroorganismer, men for bakterier vet vi fortsatt ikke hvorfor de sender ut lys." En teori antyder at bakterien gløder når mange av dem fester seg til matpartikler, i Håper å tiltrekke seg et større, sultent dyr som en fisk. For en bakterie blir det spist en god ting, ettersom det blir utskilt senere kan det spre seg til nye miljøer.

Det neste trinnet for ANTARES er et stort: Samarbeidet bygger et nytt observatorium, kalt KM3NeT. Det nye observatoriet vil være 50 ganger større enn ANTARES og ligger på tre steder, i Frankrike, Sicilia og Hellas. I løpet av ti års drift var ANTARES mislykket med å oppdage kosmiske nøytriner. Med det nye observatoriet håper samarbeidspartnerne endelig å løse puslespillet av partiklenees opprinnelse, og å lære mer om deres grunnleggende egenskaper.

I tillegg har det marine og jordfaglige samfunnet vært involvert i utviklingen av KM3NeT fra begynnelsen. De nye stasjonene vil være vert for enda flere sensorer, inkludert et kamera laget for å oppdage liv, radioaktivitetsdetektorer og et fjernstyrt kjøretøy som Coyle, som tjener som talsmann for det nye observatoriet, sammenlignet med Disney-roboten Wall-E- som vil kunne utforske havbunnen og filmen hva den finner.

"Potensialet for tverrfaglig, synergetisk vitenskap med kablede dybhavsobservatorier er enorm," sa Coyle. "ANTARES har pioneret veien, og jeg er sikker på at mange overraskelser på denne forsiden vil være kommende."

Med havene som absorberer store mengder varme og forsurende karbondioksid, virker endringer nesten sikre. Men med disse samarbeidsobservatoriene overvåker det konstant, som Coyle uttrykker det, som "forgrunnenes foresatte" - kanskje de ikke vil være så mye av en overraskelse.