خريطة جديدة للكون مرسومة بالنيوترينوات الكونية | مجلة كوانتا

من بين 100 تريليون نيوترينوات تمر عبرك كل ثانية ، يأتي معظمها من الشمس أو الغلاف الجوي للأرض. لكن القليل من الجسيمات - تلك التي تتحرك أسرع بكثير من البقية - انتقلت إلى هنا من مصادر قوية بعيدة. على مدى عقود ، سعى علماء الفيزياء الفلكية إلى البحث عن أصل هذه النيوترينوات "الكونية". الآن ، جمع مرصد IceCube Neutrino أخيرًا ما يكفي منها للكشف عن أنماط منبهة من أين أتوا.

في باقة ورقة نشرت اليوم في علوم، كشف الفريق عن أول خريطة لمجرة درب التبانة في النيوترينوات. (عادةً ما يتم رسم خرائط لمجرتنا باستخدام الفوتونات وجزيئات الضوء). تُظهر الخريطة الجديدة ضبابًا منتشرًا من النيوترينوات الكونية المنبثقة من جميع أنحاء مجرة ​​درب التبانة ، ولكن الغريب أنه لا توجد مصادر فردية تبرز. قال "إنه لغز" فرانسيس هالزين، الذي يقود IceCube.

النتائج تتبع أ دراسة IceCube من الخريف الماضي، ايضا في علوم، كان هذا أول من ربط النيوترينوات الكونية بمصدر فردي. لقد أظهر أن جزءًا كبيرًا من النيوترينوات الكونية التي اكتشفها المرصد حتى الآن جاءت من قلب مجرة ​​"نشطة" تُدعى NGC 1068. في قلب المجرة المتوهج ، تدور المادة الحلزونية في ثقب أسود مركزي فائق الكتلة ، مما يجعل النيوترينوات الكونية بطريقة ما فى المعالجة.

قال: "إنه لمن دواعي سرورنا حقًا" كيت شولبيرج، عالم فيزياء النيوترينو في جامعة ديوك ولم يشارك في البحث. "لقد حددوا مجرة ​​بالفعل. هذا هو نوع الشيء الذي يحاول مجتمع علم فلك النيوترينو بأكمله القيام به إلى الأبد ".

يفتح تحديد مصادر النيوترينو الكونية إمكانية استخدام الجسيمات كمسبار جديد للفيزياء الأساسية. أظهر الباحثون أنه يمكن استخدام النيوترينوات لفتح الشقوق في النموذج القياسي السائد لفيزياء الجسيمات وحتى اختبار الأوصاف الكمومية للجاذبية.

ومع ذلك ، فإن تحديد أصل بعض النيوترينوات الكونية على الأقل ليس سوى خطوة أولى. لا يُعرف سوى القليل عن الكيفية التي يولد بها النشاط حول بعض الثقوب السوداء فائقة الكتلة هذه الجسيمات ، وحتى الآن تشير الأدلة إلى عمليات أو ظروف متعددة.

أصل طويل الأمد

وبالرغم من وفرة النيوترينوات ، فإنها عادة ما تتنقل عبر الأرض دون أن تترك أي أثر. كان لابد من بناء كاشف ضخم بشكل رائع لاكتشاف ما يكفي منهم لإدراك الأنماط في الاتجاهات التي يأتون منها. يتكون IceCube ، الذي تم بناؤه منذ 12 عامًا ، من سلاسل بطول كيلومتر من أجهزة الكشف التي تم حفرها في أعماق جليد القطب الجنوبي. في كل عام ، تكتشف IceCube أكثر من عشرة نيوترينوات كونية ذات طاقة عالية لدرجة أنها تبرز بوضوح ضد ضباب نيوترينوات الغلاف الجوي والشمس. يمكن للتحليلات الأكثر تعقيدًا أن تستخلص النيوترينوات الكونية الإضافية المرشحة من بقية البيانات.

يعرف علماء الفيزياء الفلكية أن مثل هذه النيوترينوات النشطة لا يمكن أن تنشأ إلا عندما تصطدم نوى ذرية سريعة الحركة ، تُعرف بالأشعة الكونية ، بمواد في مكان ما في الفضاء. وهناك عدد قليل جدًا من الأماكن في الكون لديها مجالات مغناطيسية قوية بما يكفي لتوجيه الأشعة الكونية إلى طاقات كافية. انفجارات أشعة جاما ، ومضات ضوئية فائقة السطوع تحدث عندما تتحول بعض النجوم إلى مستعر أعظم أو عندما تصطدم النجوم النيوترونية ببعضها البعض ، كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها من أكثر الخيارات المعقولة. كان البديل الحقيقي الوحيد هو نوى المجرة النشطة ، أو المجرات النوى المجرية النشطة ، وهي المجرات التي تنفث ثقوبها السوداء الهائلة المركزية الجسيمات والإشعاع عندما تسقط المادة فيها.

تراجعت نظرية انفجار أشعة جاما في عام 2012 ، عندما أدرك علماء الفيزياء الفلكية أنه إذا كانت هذه الانفجارات الساطعة مسؤولة ، فإننا نتوقع أن نرى المزيد من النيوترينوات الكونية مما نفعله نحن. ومع ذلك ، كان الخلاف بعيدًا عن التسوية.

بعد ذلك ، في عام 2016 ، بدأ IceCube في إرسال تنبيهات في كل مرة يكتشفون فيها نيوترينوًا كونيًا ، مما دفع علماء الفلك الآخرين إلى تدريب التلسكوبات في الاتجاه الذي أتى منه. في سبتمبر التالي ، كانوا مبدئيًا تطابق نيوترينو كوني مع مجرة ​​نشطة تسمى TXS 0506 + 056 ، أو TXS باختصار ، كانت تُصدر مشاعل من الأشعة السينية وأشعة جاما في نفس الوقت. قال "هذا بالتأكيد أثار الكثير من الاهتمام" ماركوس سانتاندير، أحد المتعاونين مع IceCube في جامعة ألاباما.

تم جمع المزيد والمزيد من النيوترينوات الكونية ، وبدأت بقعة أخرى من السماء تبرز على خلفية نيوترينوات الغلاف الجوي. في منتصف هذه الرقعة توجد المجرة النشطة القريبة NGC 1068. يُظهر تحليل IceCube الأخير أن هذا الارتباط يكاد يكون مؤكدًا أنه يساوي السببية. كجزء من التحليل ، أعاد علماء IceCube معايرة تلسكوبهم واستخدموا الذكاء الاصطناعي لفهم حساسيته لبقع مختلفة من السماء بشكل أفضل. وجدوا أن هناك فرصة أقل من 1 في 100,000 أن وفرة النيوترينوات القادمة من اتجاه NGC 1068 هي تذبذب عشوائي.

اليقين الإحصائي من أن TXS هو مصدر نيوترينو كوني ليس بعيدًا عن الركب ، وفي سبتمبر ، سجل IceCube نيوترينوًا على الأرجح بالقرب من TXS لم يتم تحليله بعد.

كنا مكفوفين جزئياً. قال هالزن: "يبدو الأمر كما لو أننا حوّلنا التركيز إلى". كان السباق بين انفجارات أشعة جاما والمجرات النشطة. تم تحديد هذا السباق ".

الآلية الفيزيائية

يبدو أن هذين النوى المجريين النوى هما ألمع مصادر النيوترينو في السماء ، ومع ذلك ، من المحير ، أنهما مختلفان تمامًا. TXS هو نوع من AGN يُعرف باسم blazar: يطلق نفاثة من الإشعاع عالي الطاقة مباشرة نحو الأرض. ومع ذلك ، فإننا لا نرى مثل هذا النفاث يشق طريقنا من NGC 1068. وهذا يشير إلى أن الآليات المختلفة في قلب المجرات النشطة يمكن أن تؤدي إلى ظهور نيوترينوات كونية. قال "المصادر تبدو أكثر تنوعا" جوليا تجوس، عالم الفيزياء الفلكية النظرية في جامعة الرور بوخوم في ألمانيا وعضو IceCube.

يشتبه هالزن في وجود بعض المواد المحيطة بالنواة النشطة في NGC 1068 والتي تمنع انبعاث أشعة جاما أثناء إنتاج النيوترينوات. لكن الآلية الدقيقة هي تخمين أي شخص. قال: "نحن نعرف القليل جدًا عن نوى المجرات النشطة لأنها معقدة للغاية".

النيوترينوات الكونية التي نشأت في مجرة ​​درب التبانة تزيد من تشويش الأمور. لا توجد مصادر واضحة لمثل هذه الجسيمات عالية الطاقة في مجرتنا - على وجه الخصوص ، لا توجد نواة مجرية نشطة. لم يكن قلب مجرتنا صاخبًا لملايين السنين.

يتكهن هالزن بأن هذه النيوترينوات تأتي من الأشعة الكونية التي تم إنتاجها في مرحلة سابقة نشطة من مجرتنا. قال: "ننسى دائمًا أننا ننظر إلى لحظة واحدة من الزمن". "المسرعات التي صنعت هذه الأشعة الكونية ربما تكون قد صنعتها منذ ملايين السنين."

ما يبرز في الصورة الجديدة للسماء هو السطوع الشديد لمصادر مثل NGC 1068 و TXS. مجرة درب التبانة ، مليئة بالنجوم القريبة والغاز الساخن ، تتفوق على جميع المجرات الأخرى عندما ينظر الفلكيون بالفوتونات. قال هالزن ، ولكن عندما يُشاهد في النيوترينوات ، "الشيء المدهش هو أننا بالكاد نستطيع رؤية مجرتنا". "تهيمن مصادر خارج المجرة على السماء."

إذا وضعنا لغز مجرة ​​درب التبانة جانبًا ، فإن علماء الفيزياء الفلكية يريدون استخدام مصادر أبعد وأكثر إشراقًا لدراسة المادة المظلمة والجاذبية الكمية والنظريات الجديدة لسلوك النيوترينو.

سبر الفيزياء الأساسية

تقدم النيوترينوات أدلة نادرة على أن نظرية أكثر اكتمالاً للجسيمات يجب أن تحل محل مجموعة المعادلات التي عمرها 50 عامًا والمعروفة باسم النموذج القياسي. يصف هذا النموذج الجسيمات الأولية والقوى بدقة شبه كاملة ، لكنه يخطئ عندما يتعلق الأمر بالنيوترينوات: فهو يتنبأ بأن الجسيمات المحايدة عديمة الكتلة ، لكنها ليست كذلك - ليس تمامًا.

اكتشف الفيزيائيون في عام 1998 أن النيوترينوات يمكن أن تتبدل بين أنواعها الثلاثة المختلفة. يمكن أن يتحول نيوترينو الإلكترون المنبعث من الشمس إلى نيوترينو الميون بحلول الوقت الذي يصل فيه إلى الأرض ، على سبيل المثال. ومن أجل تغيير الشكل ، يجب أن يكون للنيوترينوات كتلة - التذبذبات تكون منطقية فقط إذا كان كل نوع من أنواع النيوترينو عبارة عن مزيج كمي من ثلاث كتل مختلفة (كلها صغيرة جدًا).

سمحت عشرات التجارب لعلماء فيزياء الجسيمات ببناء صورة تدريجيًا لأنماط التذبذب للنيوترينوات المختلفة - الشمسية والغلاف الجوي والمختبر. لكن النيوترينوات الكونية الناشئة من النوى المجرية النشطة تقدم نظرة على السلوك التذبذب للجسيمات عبر مسافات وطاقات أكبر بكثير. وهذا يجعلها "مسبارًا حساسًا للغاية للفيزياء يتجاوز النموذج القياسي" كارلوس أرغيليس-رقيق، عالم فيزياء نيوترينو في جامعة هارفارد وهو أيضًا جزء من تعاون IceCube المترامي الأطراف.

مصادر النيوترينو الكونية بعيدة جدًا لدرجة أن تذبذبات النيوترينو يجب أن تتلاشى - أينما نظر علماء الفيزياء الفلكية ، يتوقعون رؤية جزء ثابت من كل نوع من أنواع النيوترينو الثلاثة. يشير أي تذبذب في هذه الكسور إلى أن نماذج تذبذب النيوترينو بحاجة إلى إعادة التفكير.

الاحتمال الآخر هو أن النيوترينوات الكونية تتفاعل مع المادة المظلمة أثناء سفرها ، كما تنبأ الكثيرون نماذج القطاع المظلم. تقترح هذه النماذج أن المادة غير المرئية في الكون تتكون من أنواع متعددة من الجسيمات غير المضيئة. التفاعلات مع جسيمات المادة المظلمة هذه ستشتت النيوترينوات بطاقات معينة و خلق فجوة في طيف النيوترينوات الكونية الذي نراه.

أو يمكن للبنية الكمومية للزمكان نفسها أن تسحب النيوترينوات ، مما يؤدي إلى إبطائها. مجموعة مقرها ايطاليا مؤخرا جادل في طبيعة علم الفلك أن بيانات IceCube تظهر تلميحات حول حدوث ذلك ، ولكن كان الفيزيائيون الآخرون متشككين من هذه المطالبات.

قد تكون تأثيرات مثل هذه دقيقة ، لكن المسافات بين المجرات يمكن أن تضخمها إلى مستويات يمكن اكتشافها. قال شولبيرج: "هذا بالتأكيد شيء يستحق الاستكشاف".

بالفعل ، Argüelles-استخدم ديلجادو وزملاؤه الخلفية المنتشرة للنيوترينوات الكونية - بدلاً من مصادر محددة مثل NGC 1068 - للبحث عن دليل على البنية الكمومية للزمكان. كما هم ذكرت في فيزياء الطبيعة في أكتوبر ، لم يعثروا على أي شيء ، لكن بحثهم أعيق بسبب صعوبة التمييز بين النوع الثالث من النيوترينو - تاو - من نيوترينو الإلكترون في كاشف IceCube. قال المؤلف المشارك إن المطلوب هو "تحديد أفضل للجسيمات" تيبي كاتوري من كينجز كوليدج لندن. البحث جار ل افصل بين النوعين.

يقول كاتوري إن معرفة مواقع وآليات معينة لمصادر النيوترينو الكونية من شأنه أن يوفر "قفزة كبيرة" في حساسية عمليات البحث هذه عن فيزياء جديدة. يعتمد الجزء الدقيق من كل نوع نيوترينو على نموذج المصدر ، وتتنبأ النماذج الأكثر شيوعًا ، عن طريق الصدفة ، بأن أعدادًا متساوية من أنواع النيوترينو الثلاثة ستصل إلى الأرض. لكن النيوترينوات الكونية لا تزال غير مفهومة بشكل جيد لدرجة أن أي اختلال في التوازن في كسور الأنواع الثلاثة يمكن أن يساء تفسيره. قد تكون النتيجة نتيجة الجاذبية الكمومية أو المادة المظلمة أو نموذج تذبذب النيوترينو المعطل - أو مجرد الفيزياء التي لا تزال ضبابية لإنتاج النيوترينو الكوني. (ومع ذلك ، قد تكون بعض النسب بمثابة "دليل دامغ" على فيزياء جديدة ، حسب قول أرغيليس-ديلجادو.)

قال كاتوري ، في النهاية ، نحن بحاجة إلى اكتشاف المزيد من النيوترينوات الكونية. ويبدو أننا سنفعل. يجري تحديث IceCube وتوسيعه إلى 10 كيلومترات مكعبة على مدى السنوات القليلة المقبلة ، وفي أكتوبر ، كاشف النيوترينو تحت بحيرة بايكال في سيبيريا نشرت أول ملاحظة لها النيوترينوات الكونية من TXS.

وفي أعماق البحر الأبيض المتوسط ​​، هناك عشرات من سلاسل أجهزة الكشف عن النيوترينو تسمى مجتمعة KM3Net يتم تثبيتها في قاع البحر بواسطة روبوت غاطس لتقديم رؤية متكاملة لسماء النيوترينو الكونية. "الضغوط هائلة. قال باشال كويل ، مدير الأبحاث في مركز مرسيليا لفيزياء الجسيمات والمتحدث باسم التجربة: "البحر لا يرحم للغاية". لكن "نحن بحاجة إلى المزيد من التلسكوبات التي تدقق في السماء والمزيد من الملاحظات المشتركة ، والتي تأتي الآن."