מפה חדשה של היקום, צבועה בניוטרינו קוסמיים | מגזין קוונטה

מתוך 100 טריליון הנייטרינים שעוברים דרככם בכל שנייה, רובם מגיעים מהשמש או מהאטמוספירה של כדור הארץ. אבל חלק מהחלקיקים - אלה שנעים הרבה יותר מהר מהשאר - נעו לכאן ממקורות רבי עוצמה רחוקים יותר. במשך עשרות שנים חיפשו אסטרופיזיקאים את מקורם של הנייטרינו ה"קוסמיים" הללו. כעת, מצפה הניוטרינו של IceCube סוף סוף אסף מספיק מהם כדי לחשוף דפוסים מובהקים מהיכן הם מגיעים.

ב מאמר שפורסם היום ב מדע, הצוות חשף את המפה הראשונה של שביל החלב בניוטרינו. (בדרך כלל הגלקסיה שלנו ממופה עם פוטונים, חלקיקי אור.) המפה החדשה מציגה אובך מפוזר של ניטרינו קוסמיים היוצאים מכל שביל החלב, אך באופן מוזר, אף מקורות בודדים לא בולטים. "זו תעלומה," אמר פרנסיס האלזן, מי שמוביל את IceCube.

התוצאות עוקבות אחרי א מחקר IceCube מהסתיו האחרון, גם ב מדע, זה היה הראשון שחיבר נייטרינו קוסמיים למקור בודד. הוא הראה שחלק גדול מהנייטרינים הקוסמיים שזוהה עד כה על ידי מצפה הכוכבים הגיע מלב גלקסיה "פעילה" הנקראת NGC 1068. בליבה הזוהר של הגלקסיה, החומר מסתחרר לתוך חור שחור סופר מסיבי מרכזי, ויוצר איכשהו נייטרינים קוסמיים בתהליך.

"זה ממש משמח," אמר קייט שולברג, פיזיקאי נייטרינו באוניברסיטת דיוק שלא היה מעורב במחקר. "הם למעשה זיהו גלקסיה. זה מסוג הדברים שכל קהילת האסטרונומיה של הניטרינו ניסתה לעשות לנצח".

איתור מקורות נייטרינו קוסמיים פותחת את האפשרות להשתמש בחלקיקים כבדיקה חדשה של הפיזיקה הבסיסית. חוקרים הראו שניתן להשתמש בניטרינו כדי לפתוח סדקים במודל הסטנדרטי השלטוני של פיזיקת החלקיקים ואפילו לבחון תיאורים קוונטיים של כוח הכבידה.

עם זאת, זיהוי המקור של לפחות כמה נייטרינו קוסמיים הוא רק צעד ראשון. מעט ידוע על האופן שבו הפעילות סביב כמה חורים שחורים סופר מסיביים מייצרת את החלקיקים הללו, ועד כה הראיות מצביעות על תהליכים או נסיבות מרובות.

מוצא מבוקש

בשפע ככל שיהיו, נייטרינו בדרך כלל רוכשים דרך כדור הארץ מבלי להשאיר עקבות; היה צריך לבנות גלאי ענק להפליא כדי לזהות מספיק מהם כדי לתפוס דפוסים בכיוונים שמהם הם מגיעים. IceCube, שנבנה לפני 12 שנים, מורכב ממחרוזות באורך קילומטרים של גלאים המשועמים עמוק לתוך הקרח האנטארקטי. בכל שנה, IceCube מזהה תריסר נייטרינו קוסמיים בעלי אנרגיה כה גבוהה עד שהם בולטים בבירור מול ערפול של ניטרינו אטמוספריים וסולאריים. ניתוחים מתוחכמים יותר יכולים להקניט ניטרינו קוסמיים מועמדים נוספים משאר הנתונים.

אסטרופיזיקאים יודעים שניטרינו אנרגטי כאלה יכולים להתעורר רק כאשר גרעיני אטום הנעים במהירות, הידועים כקרניים קוסמיות, מתנגשים בחומר אי שם בחלל. ולמעט מאוד מקומות ביקום יש שדות מגנטיים חזקים מספיק כדי להקפיץ קרניים קוסמיות לאנרגיות מספקות. התפרצויות קרני גמא, הבזקי אור בהירים במיוחד המתרחשים כאשר כוכבים מסוימים הופכים לסופרנובה או כאשר כוכבי נויטרונים מסתחררים זה לתוך זה, נחשבו זמן רב לאחת האפשרויות הסבירות ביותר. האלטרנטיבה האמיתית היחידה הייתה גרעינים גלקטיים פעילים, או AGNs - גלקסיות שהחורים השחורים העל-מסיביים המרכזיים שלהן פולטים חלקיקים וקרינה כשהחומר נופל פנימה.

תיאוריית התפרצות קרני הגמא איבדה את הקרקע ב-2012, כאשר אסטרופיזיקאים הבינו שאם ההתפרצויות הבהירות הללו היו אחראים, היינו מצפים לראות הרבה יותר נויטרינו קוסמיים ממה שאנחנו עושים. ובכל זאת, הסכסוך היה רחוק מלהיות מיושב.

ואז, בשנת 2016, IceCube החלה לשלוח התראות בכל פעם שזיהו נייטרינו קוסמי, מה שגרם לאסטרונומים אחרים לאמן טלסקופים בכיוון שממנו הגיע. בספטמבר שלאחר מכן, הם בהיסוס התאים נייטרינו קוסמי לגלקסיה פעילה בשם TXS 0506+056, או בקיצור TXS, שפלט התלקחויות של קרני רנטגן וקרני גמא בו זמנית. "זה בהחלט עורר עניין רב", אמר מרקוס סנטנדר, משתף פעולה של IceCube באוניברסיטת אלבמה.

נאספו עוד ועוד ניטרינו קוסמיים, וחלקת שמיים נוספת החלה לבלוט על רקע הנייטרינים האטמוספריים. באמצע החלקה הזו נמצאת הגלקסיה הפעילה הסמוכה NGC 1068. הניתוח האחרון של IceCube מראה שמתאם זה שווה כמעט בוודאות סיבתיות. כחלק מהניתוח, מדעני IceCube כיילו מחדש את הטלסקופ שלהם והשתמשו בבינה מלאכותית כדי להבין טוב יותר את רגישותו לכתמי שמים שונים. הם גילו שיש פחות מ-1 ל-100,000 סיכוי ששפע הנייטרינים המגיע מכיוון NGC 1068 הוא תנודה אקראית.

הוודאות הסטטיסטית ש-TXS הוא מקור ניטרינו קוסמי אינה רחוקה מאחור, ובספטמבר, IceCube הקליט נייטרינו כנראה מסביבת TXS שעדיין לא נותח.

"היינו עיוורים חלקית; זה כאילו הפכנו את הפוקוס על, "אמר הלזן. "המרוץ היה בין התפרצויות קרני גמא לגלקסיות פעילות. המירוץ הזה הוכרע".

המנגנון הפיזי

נראה ששני ה-AGNs הללו הם מקורות הנייטרינו הבהירים ביותר בשמיים, ובכל זאת, באופן תמוה, הם שונים מאוד. TXS הוא סוג של AGN המכונה בלאזאר: הוא יורה סילון של קרינה עתירת אנרגיה ישירות לכיוון כדור הארץ. עם זאת, איננו רואים סילון כזה המפנה את דרכנו מ-NGC 1068. הדבר מצביע על כך שמנגנונים שונים בלב גלקסיות פעילות עלולים להוליד ניטרינו קוסמיים. "נראה שהמקורות מגוונים יותר", אמר יוליה טוס, אסטרופיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת רוהר בוכום בגרמניה וחבר ב-IceCube.

הלזן חושד שיש חומר כלשהו המקיף את הליבה הפעילה ב-NGC 1068 שחוסם את פליטת קרני גמא בעת הפקת הנייטרינים. אבל המנגנון המדויק הוא ניחוש של כל אחד. "אנחנו יודעים מעט מאוד על הליבות של גלקסיות פעילות כי הן מסובכות מדי", אמר.

הנייטרינים הקוסמיים שמקורם בשביל החלב מבלבלים את הדברים עוד יותר. אין מקורות ברורים לחלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה כל כך בגלקסיה שלנו - בפרט, אין גרעין גלקטי פעיל. הליבה של הגלקסיה שלנו לא הומה כבר מיליוני שנים.

הלזן משער שהנייטרינים הללו מגיעים מקרניים קוסמיות שנוצרו בשלב מוקדם יותר ופעיל של הגלקסיה שלנו. "אנחנו תמיד שוכחים שאנחנו מסתכלים על רגע אחד בזמן", אמר. "המאיצים שיצרו את הקרניים הקוסמיות האלה אולי יצרו אותן לפני מיליוני שנים."

מה שבולט בתמונה החדשה של השמיים הוא הבהירות העזה של מקורות כמו NGC 1068 ו-TXS. שביל החלב, המלא בכוכבים קרובים ובגז חם, מעלה על כל שאר הגלקסיות כאשר אסטרונומים מסתכלים בפוטונים. אבל כשצופים בו בניוטרינו, "הדבר המדהים הוא שאנחנו בקושי רואים את הגלקסיה שלנו", אמר הלזן. "השמים נשלטים על ידי מקורות חוץ-גלקטיים."

אם מניחים את תעלומת שביל החלב בצד, אסטרופיזיקאים רוצים להשתמש במקורות הרחוקים והבהירים יותר כדי לחקור חומר אפל, כוח משיכה קוונטי ותיאוריות חדשות של התנהגות נייטרינו.

בדיקה של פיזיקה בסיסית

ניוטרינו מציעים רמזים נדירים לכך שתיאוריה שלמה יותר של חלקיקים חייבת להחליף את מערכת המשוואות בת 50 שנה המכונה המודל הסטנדרטי. המודל הזה מתאר חלקיקים וכוחות אלמנטריים בדיוק כמעט מושלם, אבל הוא שוגה כשזה מגיע לנייטרינו: הוא חוזה שהחלקיקים הנייטרליים הם חסרי מסה, אבל הם לא - לא לגמרי.

פיזיקאים גילו ב-1998 שניטרינו יכולים לשנות צורה בין שלושת הסוגים השונים שלהם; נייטרינו אלקטרונים הנפלט מהשמש יכול להפוך לנייטרינו מיאון עד שהוא מגיע לכדור הארץ, למשל. וכדי לשנות צורה, לנייטרינים חייבת להיות מסה - התנודות הגיוניות רק אם כל מין נייטרינו הוא תערובת קוונטית של שלוש מסות שונות (כולם זעירות מאוד).

עשרות ניסויים אפשרו לפיסיקאי החלקיקים לבנות בהדרגה תמונה של דפוסי התנודה של ניטרינו שונים - סולאריים, אטמוספריים, מתוצרת מעבדה. אבל ניטרינו קוסמיים שמקורם ב-AGNs מציעים מבט על התנהגות התנודה של החלקיקים על פני מרחקים ואנרגיות גדולים בהרבה. זה הופך אותם ל"בדיקה מאוד רגישה לפיזיקה שהיא מעבר למודל הסטנדרטי", אמר קרלוס ארגולס-דק, פיזיקאי נייטרינו באוניברסיטת הרווארד שגם הוא חלק משיתוף הפעולה רחב הידיים של IceCube.

מקורות הניטרינו הקוסמיים כל כך רחוקים עד שתנודות הניטרינו צריכות להיטשטש - בכל מקום שבו אסטרופיזיקאים מסתכלים, הם מצפים לראות חלק קבוע מכל אחד משלושת סוגי הניטרינו. כל תנודה בשברים אלה תצביע על כך שמודלים של תנודות נייטרינו זקוקים לחשיבה מחודשת.

אפשרות נוספת היא שניטרינו קוסמיים מקיימים אינטראקציה עם החומר האפל בזמן שהם מטיילים, כפי שחזו על ידי רבים דגמים מהמגזר האפל. מודלים אלה מציעים שהחומר הבלתי נראה של היקום מורכב ממספר סוגים של חלקיקים לא זוהרים. אינטראקציות עם חלקיקי החומר האפל הללו יפזרו ניטרינו עם אנרגיות ספציפיות ו ליצור פער בספקטרום הנייטרינים הקוסמיים שאנו רואים.

או שהמבנה הקוונטי של המרחב-זמן עצמו יכול לגרור את הנייטרינו, ולהאט אותם. קבוצה שבסיסה לאחרונה באיטליה טען ב טבע אסטרונומיה שנתוני IceCube מראים רמזים לכך, אבל פיזיקאים אחרים היו סקפטיים מהטענות הללו.

השפעות כאלה יהיו דקות, אבל מרחקים בין-גלקטיים יכולים להגדיל אותם לרמות שניתנות לזיהוי. "זה בהחלט משהו ששווה לחקור", אמר שולברג.

כבר, ארגולס-דלגאדו ומשתפי פעולה השתמשו ברקע המפוזר של ניטרינו קוסמיים - ולא במקורות ספציפיים כמו NGC 1068 - כדי לחפש עדויות למבנה הקוונטי של מרחב-זמן. כמו שהם דיווח ב פיזיקת טבע באוקטובר, הם לא מצאו דבר, אבל החיפוש שלהם הפריע בגלל הקושי להבחין בין הזן השלישי של ניטרינו - טאו - מניטרינו אלקטרונים בגלאי IceCube. מה שצריך הוא "זיהוי חלקיקים טוב יותר", אמר מחבר שותף טפי קטורי של קינגס קולג' בלונדון. מחקר מתנהל ל לפרק את שני הסוגים.

קטורי אומר שהכרת מיקומים ומנגנונים ספציפיים של מקורות ניטרינו קוסמיים תציע "קפיצה גדולה" ברגישות של חיפושים אלה לפיזיקה חדשה. החלק המדויק של כל סוג נייטרינו תלוי במודל המקור, והמודלים הפופולריים ביותר, במקרה, חוזים שמספרים שווים של שלושת מיני הניטרינו יגיעו לכדור הארץ. אבל הנייטרינו הקוסמיים עדיין לא מובנים עד כדי כך שכל חוסר איזון שנצפה בשברים של שלושת הסוגים עלול להתפרש בצורה לא נכונה. התוצאה יכולה להיות תוצאה של כוח הכבידה הקוונטית, חומר אפל או מודל תנודת נייטרינו שבור - או סתם הפיזיקה המטושטשת עדיין של ייצור ניטרינו קוסמי. (עם זאת, כמה יחסים יהיו חתימה של "אקדח מעשן" של פיזיקה חדשה, אמר ארגולס-דלגאדו.)

בסופו של דבר, אנחנו צריכים לזהות הרבה יותר נויטרינו קוסמיים, אמר קטורי. ונראה שנעשה זאת. IceCube עובר שדרוג והרחבה ל-10 קילומטרים מעוקבים במהלך השנים הקרובות, ובאוקטובר, גלאי נייטרינו מתחת לאגם בייקל בסיביר פרסם את התצפית הראשונה שלו של ניטרינו קוסמיים מ-TXS.

ובעומק הים התיכון, עשרות מחרוזות של גלאי נייטרינו שנקראות ביחד KM3Net מהודקים על קרקעית הים על ידי רובוט צולל כדי להציע נוף משלים של השמים הקוסמיים-נוטרינו. "הלחצים עצומים; הים מאוד לא סלחן", אמר פסחאל קויל, מנהל מחקר במרכז לפיסיקת החלקיקים של מרסיי ודובר הניסוי. אבל "אנחנו זקוקים ליותר טלסקופים הבוחנים את השמיים ולתצפיות משותפות נוספות, שמגיעות עכשיו."