Tajemnicze sygnały z lodu: Zagadka ANITA czeka na rozwiązanie dzięki misji PUEO

Prawie dekadę temu, wysoko nad lodowymi pustkowiami Antarktydy, instrument naukowy ANITA zarejestrował coś, co wydawało się niemożliwe. Dziś ta naukowa zagadka, która rzuciła wyzwanie standardowym modelom fizycznym, jest bliska potencjalnego rozwiązania. Dzięki nowym, niezależnym badaniom oraz wdrożeniu zaawansowanego eksperymentu PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations), środowisko naukowe nigdy nie było bliżej zrozumienia natury tych tajemniczych sygnałów.

Sedno anomalii: sygnały, które nie powinny istnieć

W latach 2016–2018 antarktyczny eksperyment ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna), wykorzystujący anteny radiowe umieszczone na balonach stratosferycznych, wykrył serię impulsów radiowych docierających pod kątem około 30 stopni poniżej horyzontu.

Taka trajektoria sugerowała, że źródło tych sygnałów znajdowało się głęboko pod powierzchnią lodu. Oznaczało to, że fale radiowe musiałyby przejść przez tysiące kilometrów gęstej materii ziemskiej, co w normalnych warunkach doprowadziłoby do ich całkowitego wygaszenia.

Pierwotnie przyrząd ten zaprojektowano do rejestrowania ultra-wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z kosmosu. Neutrina te, oddziałując z lodem, generują charakterystyczne rozbłyski promieniowania radiowego (zjawisko Askariana). Jednakże, zarejestrowane anomalne sygnały nie pasowały do oczekiwanych charakterystyk tych neutrin.

W ciągu minionych lat przeprowadzono szeroko zakrojone prace w celu niezależnego zweryfikowania danych ANITA, co wniosło nowe, istotne szczegóły do tej historii. Brak potwierdzenia ze strony Obserwatorium Pierre Auger: Międzynarodowa kolaboracja Pierre Auger Observatory w Argentynie, analizując 15 lat danych, nie wykryła śladów podobnych zdarzeń anomalnych. Biorąc pod uwagę ogromny obszar detekcji Auger, stawia to pod poważną wątpliwość hipotezę, że ANITA zarejestrowała strumień nowych cząstek przechodzących przez Ziemię.

Główna badaczka ANITA, Stephanie Wissel z Uniwersytetu Stanu Pensylwania, zauważa: „Nasze nowe badanie sugeruje, że podobne zdarzenia nie były obserwowane w eksperymentach o długim czasie ekspozycji… To nie wskazuje na nową fizykę, a raczej dodaje informacje do ogólnego obrazu”. To spostrzeżenie przesuwa akcent z egzotycznych wyjaśnień w kierunku poszukiwania bardziej „przyziemnych” przyczyn.

Główne rozważane hipotezy:

• Nieznane efekty propagacji fal radiowych: Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem, zdaniem wielu naukowców, są złożone efekty odbicia i załamania fal radiowych w niejednorodnej strukturze lodu antarktycznego oraz atmosfery okołobiegunowej, które mogą zniekształcać trajektorię sygnału.
• Hipotezy wykraczające poza Model Standardowy: Rozważano je, lecz uważa się je za mało prawdopodobne z powodu braku potwierdzeń. Należą do nich nowe typy cząstek (na przykład związane z ciemną materią) lub neutrina sterylne.

Nadzieje na ostateczne wyjaśnienie sytuacji wiąże się obecnie z następcą ANITA – eksperymentem PUEO. Jego pierwszy start, realizowany w ramach misji NASA Astrophysics Pioneers, zaplanowano na grudzień 2025 roku, startując z bazy McMurdo na Antarktydzie.

Kluczowe ulepszenia PUEO w porównaniu do ANITA:

• Czułość: Dziesięciokrotnie wyższa, co umożliwi przeprowadzenie najbardziej czułych poszukiwań kosmicznych neutrin o ultra-wysokiej energii w historii.
• Wyzwalacz interferometryczny z szykiem fazowanym: Nowy system pozwoli na dokładniejsze oddzielenie słabych sygnałów użytecznych od szumu tła.
• Ulepszone anteny i nawigacja: Podwojona efektywna powierzchnia anten oraz nowy inercyjny system nawigacyjny znacząco zwiększą precyzję określania kierunku nadejścia sygnału.

PUEO albo zarejestruje liczne podobne zdarzenia anomalne, co pozwoli na ich szczegółowe zbadanie i określenie natury, albo potwierdzi ich całkowity brak, zamykając tym samym kwestię błędu systematycznego lub unikalnego artefaktu ANITA.

Rozwiązanie zagadki anomalii ANITA jest kluczowe nie tylko samo w sobie. Stanowi ono krytyczny krok dla całej dziedziny astrofizyki wysokich energii.

„To jedna z tych przeciągających się zagadek” – mówi Stephanie Wissel. – „Jestem pełna oczekiwania, ponieważ gdy PUEO rozpocznie lot, będziemy dysponować lepszą czułością. W zasadzie będziemy mogli lepiej zrozumieć te anomalie, co będzie dużym krokiem w kierunku zrozumienia szumów tła, a ostatecznie, w kierunku detekcji neutrin w przyszłości”. Pierwsze wyniki misji PUEO spodziewane są do ogłoszenia już w ciągu 2026 roku.