Varför forskare sjunker ett teleskop i de djupaste delarna av havet / teleskop

Under 2006 befann sig forskare som arbetade med ANTARES neutrino-teleskopet mot ett problem: deras helt nya instrument observerade mycket ljusare än de hade förväntat sig. Detta var särskilt förvirrande eftersom ANTARES sänks i tonvatten, två och en halv kilometer under Medelhavet.

Du förstår, det här är inget vanligt stjärnskanteleskop. I stället för att jaga på avlägsna kosmiska föremål använder ANTARES observatoriet mycket ljuskänsliga anordningar för att upptäcka någonting från rymden här på jorden: det ljus som emitteras av en kosmisk neutrino-en subatomisk partikel, som en laddningslös elektron, när den passerar genom havsvatten.

ANTARES-fysikerna visste när de började att de kanske ser lite ljus från andra källor, som djuphavsfiskar. Men det glöd de såg var intensivt för att hindra deras arbete. Var kan det komma ifrån?

Lyckligtvis använder ANTARES, till skillnad från de flesta observatorier, oceanografer, geologer, marinbiologer och klimatologer förutom astrofysiker. Med ytterligare studier upptäckte dessa experter att ljuset kom från en massiv blomning av djuphavs bioluminescerande bakterier, rördes om till handling av vatten som transporterades från ytan till djupet.

Det som först tycktes vara ett vägblock visade sig vara ett genombrott: för deras studier av djuphavsblomningen fick ANTARES-samarbetet ett specialpris av vetenskapsmagasinet La Recherche, som årligen utser exemplarisk vetenskaplig forskning år 2014. Deras var den längsta någonsin observeringen av en sådan blomning i djuphavet, och utan ANTARES hade vetenskapsmän troligen missat det.

Det här gör det här observatoriet så extraordinärt. Det är ett riktigt tvärvetenskapligt samarbete, som ger data för en grupp av fält som annars annars verkar vildlösa från varandra.

"Det är den roliga delen av det här arbetet, för när man pratar om mitt projekt med oceanografer, säger de" ett teleskop, verkligen? "Säger Severine Martini, en forskare vid Monterey Bay Research Institute som har använt ANTARES för studier av bioluminescerande bakterie. Hon var bland den grupp som studerade djuphavsbakterien. "Samtidigt, när vi pratar om bioluminescens och oceanografiska fenomen till astrofysiker, får vi sorts blank utseende. Men det är den goda delen av att arbeta med olika fält. Vi försöker lösa olika problem, men vi jobbar tillsammans. "

Havets botten kan verka som ett konstigt val av plats för ett teleskop. Men när du letar efter neutrinor är djuphavet den perfekta platsen att söka efter.

Astrofysiker fascineras av kosmiska neutriner, som tros vara framställda av hög energi och våldsamma händelser i rymden; De enda två bekräftade källorna är solen och en avlägsen supernova, men fysiker är ivriga att upptäcka var annat dessa partiklar kommer ifrån. Problemet är att neutrinor bara är en av de många partiklar som hela tiden bombarderar jorden - och i motsats till många av dessa andra partiklar, som röntgenstrålar eller kosmiska strålar, samverkar neutriner bara mycket svagt med materia, vilket gör dem särskilt svåra att upptäcka bland bruset.

För att göra saken värre, produceras också neutrinor i atmosfären och kan vara svår att skilja från sina kosmiska motsvarigheter.

Här är var havet kommer in. Neutrinor är de enda partiklarna som kan passera rakt genom själva jorden, så ANTARES använder jorden som en sköld, söker efter "uppåtgående" muonspartiklar som liknar elektroner, men utan massa-de neutrinos producera när de passerar upp genom jorden. För att upptäcka dessa muoner letar observatörens fotomultiplikatorer efter en liten ljusstråle som kallas Cherenkov-strålning, som produceras när en laddad partikel rör sig snabbare än ljusets hastighet i vatten.

Att placera ett neutrino teleskop på botten av havet är alltså att placera det mellan två spännare, vilket bara filtrerar ut vad det är intressant att spela in.

Så att teleskopet i botten av havet teoretiskt gör det mer användbart för att observera yttre rymden, men det gör det också mycket mer användbart för att observera havets botten. "I en bred mening öppnar vi ett nytt fönster på universum", säger Antoine Kouchner, professor och forskare i kosmologi vid Université Paris Diderot och talesman för ANTARES-samarbetet. "Men att vara ett observatorium som är kapabel till stranden möjliggör data och övervakning i realtid. Och det är där det blir intressant för havsvetenskapen. "

De flesta uppgifter från djuphavet kommer i små biter. Vanligtvis skickas instrument eller fordon till botten i bara några timmar i taget. Information om djuphavet är därför vanligtvis spridd och urkopplad, både rumligt och temporärt.

ANTARES observatorium har däremot överfört data hela tiden, dag in och dag ut, under åren. Denna information kan visa sig särskilt relevant för forskare som studerar klimatförändringar, som behöver datasatser som sträcker sig över många år för att sikt ut vad som förändras i ett uppvärmande hav.

"I grund och botten har en elektrisk kontakt och en Ethernet-kabel tillgänglig på 2500m djup ett stort steg framåt för jord- och havsvetenskapliga studier," skämt Paschal Coyle, partikelstrofysiker och tidigare talesman för samarbetet. "Det var en överraskning för mig att detta samhälle inte redan gjorde vad vi gjorde."

Tack vare de många sensorer som ANTARES tillhandahåller - övervakning av syre, temperatur, tryck, salthalt, seismisk aktivitet och mycket mer - är omfattningen av icke-fysikprojekt på ANTARES nu bred från att spåra sedimentflödet på havsbotten för att registrera spermhalssamtal som de jagar i djupet.

Och de studerar fortfarande de små fläckarna av ljus som stod för astrofysikerna. Under hennes Ph.D. vid Mediterranean Institute of Oceanography upptäckte Martini en ny form av bioluminescerande bakterier som hon observerat nästan kontinuerligt i djupet med ANTARES. I hennes senaste papper, i november, beskrev Martini bioluminescensaktiviteten hos dessa bakterier under ett år i följd med ANTARES-data. Hon fann att bakterierna emitterade ljus även under stabila förhållanden, och att bioluminescerande bakterier var mer aktiva än bakterier som helhet, vilket tyder på att ljusutsläpp ger någon form av ekologisk fördel.

"Jag tycker att det är intressant för att vi upptäckte någonting någonsin skulle ha letat efter", sa Martini. "Bioluminescens ekologiska roll beskrivs väl för många makroorganismer, men för bakterier vet vi fortfarande inte riktigt varför de sänder ut ljus." En teori föreslår att bakterien glöder när många av dem fäster på matpartiklar, i hopp om att locka ett större, hungrigt djur som en fisk. För en bakterie som är ätit är det bra, eftersom utsöndring senare kan hjälpa till att sprida sig till nya miljöer.

Nästa steg för ANTARES är ett stort: Samarbetet bygger ett nytt observatorium, kallat KM3NeT. Det nya observatoriet kommer att vara 50 gånger större än ANTARES och ligger på tre platser, i Frankrike, Sicilien och Grekland. Under dess tio år av operation misslyckades ANTARES att upptäcka kosmiska neutrinor; med det nya observatoriet hoppas samarbetarna slutligen lösa pusslet om partiklarnas ursprung och att lära sig mer om deras grundläggande egenskaper.

Dessutom har marin och jordvetenskapssamhället varit involverad i utvecklingen av KM3NeT från början. De nya stationerna kommer att vara värd för ännu fler sensorer, inklusive en kamera för att upptäcka liv, radioaktivitetsdetektorer och ett fjärrdrivet fordon, vilket Coyle, som tjänar som talesman för det nya observatoriet, jämfört med Disney-roboten Wall-E- som kommer att kunna utforska havsbotten och filmen vad den finner.

"Potentialen för tvärvetenskaplig, synergetisk vetenskap med kabeldragna marina havsobservatorier är enorm," sa Coyle. "ANTARES har banat vägen, och jag är säker på att många överraskningar på denna front kommer att vara kommande."

Med oceanerna absorberar stora mängder värme och försurande koldioxid, förändringar verkar nästan säkert. Men med dessa samarbetsobservatorier övervakar konstantverkande, som Coyle uttryckte det, som "avgrundens väktare" - kanske kommer de inte att vara så mycket av en överraskning.