نقشه جدیدی از کیهان، نقاشی شده با نوترینوهای کیهانی | مجله کوانتا

از 100 تریلیون نوترینو که در هر ثانیه از شما عبور می کنند، بیشتر آنها از خورشید یا جو زمین می آیند. اما تعداد کمی از ذرات - آنهایی که بسیار سریعتر از بقیه حرکت می کنند - از منابع قدرتمند دورتر به اینجا سفر کردند. برای چندین دهه، اخترفیزیکدانان به دنبال منشا این نوترینوهای "کیهانی" بوده اند. اکنون، رصدخانه نوترینوهای IceCube بالاخره به اندازه کافی از آنها را جمع آوری کرده است تا الگوهای گویایی را در جایی که از کجا آمده اند، آشکار کند.

در یک مقاله منتشر شده امروز در علم، این تیم اولین نقشه راه شیری را در نوترینوها نشان داد. (معمولاً کهکشان ما با فوتون ها، ذرات نور ترسیم می شود.) نقشه جدید مه پراکنده ای از نوترینوهای کیهانی را نشان می دهد که از سراسر کهکشان راه شیری سرچشمه می گیرند، اما به طور عجیبی، هیچ منبع جداگانه ای مشخص نیست. گفت: این یک راز است فرانسیس هالزن، که IceCube را رهبری می کند.

نتایج به دنبال یک مطالعه IceCube از پاییز گذشته، همچنین در علماین اولین موردی بود که نوترینوهای کیهانی را به یک منبع جداگانه متصل کرد. این نشان داد که بخش بزرگی از نوترینوهای کیهانی که تاکنون توسط رصدخانه شناسایی شده اند، از قلب یک کهکشان "فعال" به نام NGC 1068 آمده اند. در هسته درخشان کهکشان، ماده به شکل مارپیچی به یک سیاهچاله مرکزی مرکزی تبدیل می شود که به نوعی نوترینوهای کیهانی می سازد. در این فرآیند

گفت: "این واقعا خوشحال کننده است." کیت شولبرگ، یک فیزیکدان نوترینو در دانشگاه دوک که در این تحقیق شرکت نداشت. آنها در واقع یک کهکشان را شناسایی کرده اند. این همان چیزی است که کل جامعه نجوم نوترینو برای همیشه سعی در انجام آن داشته است.

تعیین دقیق منابع نوترینوی کیهانی امکان استفاده از ذرات را به عنوان یک کاوشگر جدید فیزیک بنیادی باز می کند. محققان نشان داده‌اند که نوترینوها می‌توانند برای باز کردن شکاف‌ها در مدل استاندارد حاکم بر فیزیک ذرات و حتی آزمایش توصیف‌های کوانتومی گرانش استفاده شوند.

با این حال، شناسایی منشا حداقل برخی از نوترینوهای کیهانی تنها اولین قدم است. اطلاعات کمی در مورد چگونگی تولید این ذرات در اطراف برخی از سیاهچاله های کلان جرم وجود دارد و تاکنون شواهد به فرآیندها یا شرایط متعددی اشاره می کنند.

منشاء طولانی مدت

نوترینوها که فراوان هستند، معمولاً بدون برجای گذاشتن اثری از زمین عبور می کنند. یک آشکارساز بسیار بزرگ باید ساخته می شد تا به اندازه کافی از آنها را شناسایی کند تا الگوها را در مسیرهایی که از آنجا می رسند درک کند. IceCube که 12 سال پیش ساخته شد، از رشته های یک کیلومتری آشکارساز تشکیل شده است که در اعماق یخ های قطب جنوب حفر شده اند. IceCube هر سال یک دوجین نوترینو کیهانی را با چنان انرژی بالایی شناسایی می‌کند که به وضوح در برابر مه‌ای از نوترینوهای جوی و خورشیدی متمایز می‌شوند. تحلیل‌های پیچیده‌تر می‌توانند نوترینوهای کیهانی نامزد اضافی را از بقیه داده‌ها شناسایی کنند.

اخترفیزیکدانان می‌دانند که چنین نوترینوهای پرانرژی تنها زمانی به وجود می‌آیند که هسته‌های اتمی با حرکت سریع، معروف به پرتوهای کیهانی، با مواد در جایی در فضا برخورد کنند. و مکان های بسیار کمی در جهان دارای میدان های مغناطیسی به اندازه کافی قوی هستند که پرتوهای کیهانی را به انرژی کافی برساند. فوران های پرتو گاما، فلاش های فوق درخشان نوری که زمانی رخ می دهد که برخی از ستاره ها به ابرنواختر تبدیل می شوند یا زمانی که ستاره های نوترونی مارپیچ به یکدیگر می روند، مدت ها تصور می شد که یکی از قابل قبول ترین گزینه ها بود. تنها جایگزین واقعی، هسته‌های فعال کهکشانی یا AGN‌ها بود - کهکشان‌هایی که سیاه‌چاله‌های مرکزی آن‌ها با ریزش ماده، ذرات و تشعشعات را به بیرون پرتاب می‌کنند.

نظریه انفجار پرتو گاما در سال 2012 جایگاه خود را از دست داد، زمانی که اخترفیزیکدانان متوجه شدند که اگر این انفجارهای درخشان مسئول باشند، ما انتظار داریم که بسیاری از نوترینوهای کیهانی دیگر نسبت به ما با این حال، اختلاف هنوز حل نشده بود.

سپس، در سال 2016، IceCube هر بار که نوترینوی کیهانی را شناسایی کرد، شروع به ارسال هشدار کرد که باعث شد ستاره‌شناسان دیگر به آموزش تلسکوپ‌ها در جهتی که از آن می‌آمدند، بپردازند. سپتامبر بعد، آنها به طور آزمایشی یک نوترینوی کیهانی را با یک کهکشان فعال به نام TXS مطابقت داد 0506+056 یا به اختصار TXS که همزمان شعله های اشعه ایکس و گاما را ساطع می کرد. گفت: «این مطمئناً علاقه زیادی را برانگیخت مارکوس سانتاندر، یکی از همکاران IceCube در دانشگاه آلاباما.

نوترینوهای کیهانی بیشتر و بیشتری جمع آوری شدند و تکه ای دیگر از آسمان در برابر پس زمینه نوترینوهای جوی شروع به خودنمایی کرد. در وسط این وصله، کهکشان فعال نزدیک به NGC 1068 قرار دارد. تحلیل اخیر IceCube نشان می‌دهد که این همبستگی تقریباً به طور قطع برابر با علی است. به عنوان بخشی از تجزیه و تحلیل، دانشمندان IceCube تلسکوپ خود را مجددا کالیبره کردند و از هوش مصنوعی برای درک بهتر حساسیت آن نسبت به بخش های مختلف آسمان استفاده کردند. آنها دریافتند که کمتر از 1 در 100,000 احتمال وجود دارد که فراوانی نوترینوهایی که از جهت NGC 1068 می آیند یک نوسان تصادفی باشد.

قطعیت آماری مبنی بر اینکه TXS یک منبع نوترینوی کیهانی است چندان دور نیست و در ماه سپتامبر، IceCube نوترینویی را احتمالاً از مجاورت TXS ثبت کرد که هنوز مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته است.

ما تا حدی نابینا بودیم. هالزن گفت، مثل این است که ما تمرکز را روی آن معطوف کرده ایم. «مسابقه بین انفجارهای پرتو گاما و کهکشان‌های فعال بود. این مسابقه قطعی شده است.»

مکانیسم فیزیکی

به نظر می رسد این دو AGN درخشان ترین منابع نوترینو در آسمان هستند، اما به طرز شگفت انگیزی بسیار متفاوت هستند. TXS یک نوع AGN است که به نام بلازار شناخته می شود: جت پرتوهای پرانرژی را مستقیماً به سمت زمین پرتاب می کند. با این حال، ما چنین جتی را نمی بینیم که مسیر ما را از NGC 1068 نشان دهد. این نشان می دهد که مکانیسم های مختلف در قلب کهکشان های فعال می توانند نوترینوهای کیهانی را ایجاد کنند. گفت: "به نظر می رسد منابع متنوع تر باشند." جولیا تجوس، اخترفیزیکدان نظری در دانشگاه روهر بوخوم در آلمان و عضو IceCube.

هالزن مشکوک است که در اطراف هسته فعال NGC 1068 موادی وجود دارد که از انتشار پرتوهای گاما با تولید نوترینو جلوگیری می کند. اما مکانیسم دقیق آن حدس هر کسی است. او گفت: «ما اطلاعات کمی در مورد هسته کهکشان‌های فعال داریم، زیرا آنها بسیار پیچیده هستند.

نوترینوهای کیهانی که از کهکشان راه شیری سرچشمه می گیرند همه چیز را بیشتر به هم می ریزند. هیچ منبع آشکاری از چنین ذرات پرانرژی در کهکشان ما وجود ندارد - به ویژه، هیچ هسته فعال کهکشانی. هسته کهکشان ما میلیون ها سال است که شلوغ نبوده است.

هالزن حدس می‌زند که این نوترینوها از پرتوهای کیهانی تولید شده در فاز فعال اولیه کهکشان ما می‌آیند. او گفت: «ما همیشه فراموش می کنیم که به یک لحظه در زمان نگاه می کنیم. شتاب‌دهنده‌هایی که این پرتوهای کیهانی را ساخته‌اند ممکن است آن‌ها را میلیون‌ها سال پیش ساخته باشند.»

آنچه در تصویر جدید از آسمان برجسته است، روشنایی شدید منابعی مانند NGC 1068 و TXS است. کهکشان راه شیری، پر از ستارگان مجاور و گاز داغ، وقتی ستاره شناسان با فوتون نگاه می کنند، از همه کهکشان های دیگر جلوتر است. اما وقتی که در نوترینوها مشاهده می‌شود، هالزن گفت: «چیز شگفت‌انگیز این است که ما به سختی می‌توانیم کهکشان خود را ببینیم». "آسمان تحت سلطه منابع فرا کهکشانی است."

با کنار گذاشتن رمز و راز راه شیری، اخترفیزیکدانان می خواهند از منابع دورتر و روشن تر برای مطالعه ماده تاریک، گرانش کوانتومی و نظریه های جدید رفتار نوترینو استفاده کنند.

کاوش در فیزیک بنیادی

نوترینوها سرنخ‌های نادری ارائه می‌دهند که یک نظریه کامل‌تر از ذرات باید جایگزین مجموعه معادلات 50 ساله معروف به مدل استاندارد شود. این مدل ذرات بنیادی و نیروها را با دقت تقریباً کامل توصیف می‌کند، اما در مورد نوترینوها اشتباه می‌کند: این مدل پیش‌بینی می‌کند که ذرات خنثی بدون جرم هستند، اما اینطور نیستند.

فیزیکدانان در سال 1998 کشف کردند که نوترینوها می توانند بین سه نوع مختلف خود تغییر شکل دهند. برای مثال، یک نوترینوی الکترونی که از خورشید ساطع می‌شود، می‌تواند تا زمانی که به زمین می‌رسد، به یک نوترینوی میون تبدیل شود. و به منظور تغییر شکل، نوترینوها باید جرم داشته باشند - نوسانات تنها زمانی معنا پیدا می کنند که هر گونه نوترینو مخلوط کوانتومی از سه جرم مختلف (همه بسیار کوچک) باشد.

ده ها آزمایش به فیزیکدانان ذرات اجازه داده است تا به تدریج تصویری از الگوهای نوسان نوترینوهای مختلف - خورشیدی، اتمسفر و آزمایشگاهی ایجاد کنند. اما نوترینوهای کیهانی که از AGN ها منشا می گیرند، نگاهی به رفتار نوسانی ذرات در فواصل و انرژی های بسیار بزرگتر ارائه می دهند. گفت: این آنها را به یک کاوشگر بسیار حساس برای فیزیک تبدیل می کند که فراتر از مدل استاندارد است کارلوس آرگوئلس-دلگادو، یک فیزیکدان نوترینو در دانشگاه هاروارد که همچنین بخشی از همکاری گسترده IceCube است.

منابع نوترینوهای کیهانی آنقدر دور هستند که نوسانات نوترینو باید محو شوند - اخترفیزیکدانان به هر کجا که نگاه می کنند، انتظار دارند کسر ثابتی از هر یک از سه نوع نوترینو را ببینند. هر گونه نوسان در این کسرها نشان می دهد که مدل های نوسان نوترینو نیاز به تجدید نظر دارند.

احتمال دیگر این است که نوترینوهای کیهانی در حین حرکت با ماده تاریک برهمکنش می‌کنند، همانطور که بسیاری پیش‌بینی می‌کنند مدل های بخش تاریک. این مدل‌ها پیشنهاد می‌کنند که ماده نامرئی جهان از چندین نوع ذرات غیر درخشان تشکیل شده است. فعل و انفعالات با این ذرات ماده تاریک می تواند نوترینوها را با انرژی های خاص پراکنده کند ایجاد شکاف در طیف نوترینوهای کیهانی که می بینیم.

یا ساختار کوانتومی خود فضا-زمان می تواند روی نوترینوها کشیده شود و سرعت آنها را کاهش دهد. گروهی که اخیراً در ایتالیا مستقر است استدلال کرد نجوم طبیعت که داده های IceCube نشانه هایی از این اتفاق را نشان می دهد، اما دیگر فیزیکدانان شک داشتند از این ادعاها

چنین تأثیراتی بسیار اندک است، اما فواصل بین کهکشانی می تواند آنها را تا سطوح قابل تشخیص بزرگ کند. شولبرگ گفت: «این قطعاً چیزی است که ارزش کاوش را دارد.

در حال حاضر، Argüelles-دلگادو و همکارانش از پس‌زمینه پراکنده نوترینوهای کیهانی - به جای منابع خاصی مانند NGC 1068 - برای جستجوی شواهدی از ساختار کوانتومی فضا-زمان استفاده کرده‌اند. همانطور که آنها گزارش شده در فیزیک طبیعت در ماه اکتبر، آنها چیزی پیدا نکردند، اما جستجوی آنها به دلیل دشواری تشخیص نوع سوم نوترینو - tau - از یک نوترینوی الکترونی در آشکارساز IceCube با مشکل مواجه شد. نویسنده همکار گفت: آنچه مورد نیاز است «شناسایی بهتر ذرات» است تپه کاتوری از کینگز کالج لندن. تحقیقات در حال انجام است این دو نوع را از هم جدا کنید.

کاتوری می‌گوید دانستن مکان‌ها و مکانیسم‌های خاص منابع نوترینوی کیهانی می‌تواند "جهشی بزرگ" در حساسیت این جستجوها برای فیزیک جدید ایجاد کند. کسر دقیق هر نوع نوترینو به مدل منبع بستگی دارد و محبوب ترین مدل ها به طور تصادفی پیش بینی می کنند که تعداد مساوی از سه گونه نوترینو به زمین می رسد. اما نوترینوهای کیهانی هنوز آنقدر ضعیف شناخته شده اند که هرگونه عدم تعادل مشاهده شده در بخش های سه نوع ممکن است به اشتباه تفسیر شود. نتیجه می تواند نتیجه گرانش کوانتومی، ماده تاریک یا مدل شکسته نوسان نوترینویی باشد - یا فقط فیزیک هنوز مبهم تولید نوترینو کیهانی. آرگوئلز گفت: با این حال، برخی نسبت‌ها نشانه «تفنگ دود کردن» فیزیک جدید هستند.-دلگادو.)

کاتوری گفت: در نهایت، ما باید نوترینوهای کیهانی بیشتری را شناسایی کنیم. و به نظر می رسد که ما این کار را خواهیم کرد. IceCube در چند سال آینده ارتقا یافته و به 10 کیلومتر مکعب افزایش می یابد و در ماه اکتبر، یک آشکارساز نوترینو در زیر دریاچه بایکال در سیبری اولین مشاهده خود را ارسال کرد نوترینوهای کیهانی از TXS.

و در اعماق دریای مدیترانه، ده‌ها رشته آشکارساز نوترینو در مجموع نامیده شدند KM3NeT توسط یک ربات غوطه ور در کف دریا بسته می شوند تا نمای تکمیلی از آسمان کیهانی-نوترینو را ارائه دهند. «فشارها بسیار زیاد است. پاسکال کویل، مدیر تحقیقات مرکز فیزیک ذرات مارسی و سخنگوی این آزمایش گفت: دریا بسیار نابخشودنی است. اما "ما به تلسکوپ های بیشتری نیاز داریم که آسمان را موشکافی کنند و مشاهدات مشترک بیشتری که اکنون در راه است."