แผนที่จักรวาลใหม่ วาดด้วยนิวตริโนจักรวาล | นิตยสารควอนตั้ม

ในจำนวนนิวตริโน 100 ล้านล้านที่ผ่านคุณทุกวินาที ส่วนใหญ่มาจากดวงอาทิตย์หรือชั้นบรรยากาศของโลก แต่อนุภาคส่วนน้อยซึ่งเคลื่อนที่เร็วกว่าส่วนอื่นๆ เดินทางมาที่นี่จากแหล่งพลังงานที่อยู่ไกลออกไป เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้แสวงหาต้นกำเนิดของนิวตริโนใน "จักรวาล" เหล่านี้ ตอนนี้หอดูดาวนิวตริโน IceCube ได้รวบรวมพวกมันมากพอที่จะเปิดเผยรูปแบบที่บอกเล่าได้ว่าพวกมันมาจากไหน

ใน กระดาษเผยแพร่วันนี้ใน วิทยาศาสตร์ทีมงานเปิดเผยแผนที่แรกของทางช้างเผือกในนิวตริโน (โดยปกติแล้วกาแล็กซีของเราจะถูกแมปด้วยโฟตอน อนุภาคของแสง) แผนที่ใหม่นี้แสดงหมอกควันกระจายของนิวตริโนในจักรวาลที่เล็ดลอดออกมาจากทางช้างเผือก แต่น่าแปลกที่ไม่มีแหล่งที่มาใดโดดเด่น “มันเป็นเรื่องลึกลับ” กล่าว ฟรานซิส ฮัลเซ่นซึ่งเป็นผู้นำ IceCube

ผลลัพธ์เป็นไปตาม การศึกษา IceCube จากฤดูใบไม้ร่วงที่แล้วนอกจากนี้ใน วิทยาศาสตร์ซึ่งเป็นครั้งแรกที่เชื่อมต่อนิวตริโนของจักรวาลกับแหล่งกำเนิดแต่ละแหล่ง มันแสดงให้เห็นว่าก้อนนิวตริโนในจักรวาลจำนวนมากที่ตรวจพบโดยหอดูดาวนั้นมาจากใจกลางของกาแลคซี "ที่ยังทำงานอยู่" ที่เรียกว่า NGC 1068 ในแกนกลางที่เร่าร้อนของกาแลคซี สสารจะหมุนวนเป็นหลุมดำมวลมหาศาลใจกลาง ทำให้เกิดนิวตริโนในจักรวาลด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง ในกระบวนการ.

“เป็นเรื่องน่ายินดีจริงๆ” กล่าว เคท โชลเบิร์กนักฟิสิกส์นิวตริโนแห่งมหาวิทยาลัย Duke ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้ “พวกเขาระบุกาแลคซีได้แล้ว นี่เป็นสิ่งที่ชุมชนดาราศาสตร์นิวตริโนทั้งหมดพยายามทำตลอดไป”

การระบุแหล่งที่มาของนิวตริโนในจักรวาลเปิดโอกาสในการใช้อนุภาคเป็นโพรบใหม่ของฟิสิกส์พื้นฐาน นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่านิวตริโนสามารถใช้ในการเปิดรอยร้าวในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคที่ครองราชย์ และแม้แต่ทดสอบคำอธิบายควอนตัมของแรงโน้มถ่วง

แต่การระบุแหล่งกำเนิดของนิวตริโนในจักรวาลอย่างน้อยบางส่วนเป็นเพียงขั้นตอนแรกเท่านั้น ไม่ค่อยมีใครรู้ว่ากิจกรรมรอบหลุมดำมวลมหาศาลสร้างอนุภาคเหล่านี้ได้อย่างไร และจนถึงขณะนี้หลักฐานชี้ให้เห็นถึงกระบวนการหรือสถานการณ์หลายอย่าง

แหล่งกำเนิดที่แสวงหามานาน

นิวตริโนมีมากมายตามที่เป็นอยู่ มักจะพุ่งผ่านโลกโดยไม่ทิ้งร่องรอยไว้ ต้องสร้างเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่อย่างงดงามเพื่อตรวจจับพวกมันให้มากพอที่จะรับรู้รูปแบบในทิศทางที่พวกเขามา IceCube สร้างขึ้นเมื่อ 12 ปีที่แล้ว ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับความยาวหลายกิโลเมตรที่เจาะลึกเข้าไปในน้ำแข็งแอนตาร์กติก ในแต่ละปี IceCube ตรวจจับนิวตริโนในจักรวาลได้ประมาณสิบโหลหรือมากกว่านั้นที่มีพลังงานสูง ซึ่งพวกมันโดดเด่นกว่าหมอกควันของนิวตริโนในชั้นบรรยากาศและแสงอาทิตย์อย่างชัดเจน การวิเคราะห์ที่ซับซ้อนมากขึ้นสามารถวิเคราะห์นิวตริโนของจักรวาลที่เป็นตัวเลือกเพิ่มเติมจากข้อมูลที่เหลือได้

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทราบดีว่านิวตริโนที่มีพลังเช่นนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อนิวเคลียสของอะตอมที่เคลื่อนที่เร็วซึ่งเรียกว่ารังสีคอสมิกชนกับวัตถุที่ไหนสักแห่งในอวกาศ และมีเพียงไม่กี่แห่งในเอกภพที่มีสนามแม่เหล็กแรงพอที่จะส่งรังสีคอสมิกให้มีพลังงานเพียงพอ การระเบิดของรังสีแกมมา แสงวาบสว่างจ้าเป็นพิเศษที่เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์บางดวงเกิดซูเปอร์โนวาหรือเมื่อดาวนิวตรอนหมุนวนเข้าหากัน ถือเป็นตัวเลือกที่น่าเชื่อถือที่สุดตัวเลือกหนึ่งมานานแล้ว ทางเลือกที่แท้จริงเพียงทางเดียวคือนิวเคลียสของดาราจักรกัมมันต์หรือ AGNs—ดาราจักรที่มีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ตรงกลางจะพ่นอนุภาคและรังสีออกมาเมื่อสสารตกลงมา

ทฤษฎีการระเบิดของรังสีแกมมาล้มเหลวในปี 2012 เมื่อนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ตระหนักว่าหากการระเบิดที่สว่างจ้าเหล่านี้มีส่วนรับผิดชอบ เราคาดว่าจะได้เห็น นิวตริโนในจักรวาลอีกมากมาย กว่าที่เราทำ ถึงกระนั้น ข้อพิพาทก็ยังไม่ยุติ

จากนั้นในปี 2016 IceCube เริ่มส่งการแจ้งเตือนทุกครั้งที่ตรวจพบนิวตริโนในจักรวาล ทำให้นักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ฝึกกล้องโทรทรรศน์ในทิศทางที่มันมา ในเดือนกันยายนถัดไปพวกเขาไม่แน่นอน จับคู่นิวตริโนในจักรวาลกับกาแล็กซีที่ใช้งานอยู่ซึ่งเรียกว่า TXS 0506+056 หรือเรียกสั้นๆ ว่า TXS ซึ่งปล่อยแสงแฟลร์ของรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาออกมาพร้อมกัน “นั่นจุดประกายความสนใจอย่างมากอย่างแน่นอน” กล่าว มาร์กอส ซานตานเดร์ผู้ทำงานร่วมกันของ IceCube ที่มหาวิทยาลัยอลาบามา

มีการรวบรวมนิวตริโนในจักรวาลมากขึ้นเรื่อยๆ และท้องฟ้าอีกส่วนหนึ่งก็เริ่มโดดเด่นเหนือพื้นหลังของนิวตริโนในชั้นบรรยากาศ ตรงกลางของแพตช์นี้คือกาแลคซีที่ใช้งานอยู่ใกล้เคียง NGC 1068 การวิเคราะห์ล่าสุดของ IceCube แสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์นี้เกือบจะเท่ากับสาเหตุอย่างแน่นอน ในส่วนหนึ่งของการวิเคราะห์ นักวิทยาศาสตร์ของ IceCube ได้ทำการปรับเทียบกล้องโทรทรรศน์ของพวกเขาใหม่ และใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อทำความเข้าใจความไวของมันต่อท้องฟ้าที่แตกต่างกัน พวกเขาพบว่ามีโอกาสน้อยกว่า 1 ใน 100,000 ที่จำนวนนิวตริโนจำนวนมากที่มาจากทิศทางของ NGC 1068 จะผันผวนแบบสุ่ม

ความเชื่อมั่นทางสถิติว่า TXS เป็นแหล่งนิวตริโนในจักรวาลนั้นยังตามหลังอยู่ไม่ไกล และในเดือนกันยายน IceCube ได้บันทึกนิวตริโนที่อาจมาจากบริเวณใกล้เคียงกับ TXS ซึ่งยังไม่ได้รับการวิเคราะห์

“เราตาบอดบางส่วน มันเหมือนกับว่าเราได้หันความสนใจไปที่” Halzen กล่าว “การแข่งขันเกิดขึ้นระหว่างการระเบิดของรังสีแกมมาและกาแลคซีที่ยังคุกรุ่น การแข่งขันนั้นได้รับการตัดสินแล้ว”

กลไกทางกายภาพ

AGN ทั้งสองนี้ดูเหมือนจะเป็นแหล่งนิวตริโนที่สว่างที่สุดในท้องฟ้า แต่น่าแปลกที่พวกมันแตกต่างกันมาก TXS เป็น AGN ประเภทหนึ่งที่รู้จักกันในชื่อ blazar: มันยิงรังสีพลังงานสูงไปยังโลกโดยตรง แต่เราไม่เห็นไอพ่นดังกล่าวชี้มาทางเราจาก NGC 1068 สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่ากลไกต่างๆ ในใจกลางของดาราจักรกัมมันต์สามารถก่อให้เกิดนิวตริโนในจักรวาลได้ “แหล่งที่มาดูเหมือนจะมีความหลากหลายมากขึ้น” กล่าว จูเลีย ทูสนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ Ruhr University Bochum ในเยอรมนีและเป็นสมาชิกของ IceCube

Halzen สงสัยว่ามีวัสดุบางอย่างล้อมรอบแกนกลางที่ใช้งานอยู่ใน NGC 1068 ซึ่งปิดกั้นการปล่อยรังสีแกมมาในขณะที่ผลิตนิวตริโน แต่กลไกที่แม่นยำนั้นไม่มีใครเดาได้ “เรารู้น้อยมากเกี่ยวกับแกนกลางของดาราจักรกัมมันต์ เพราะพวกมันซับซ้อนเกินไป” เขากล่าว

นิวตริโนของจักรวาลที่มีต้นกำเนิดในทางช้างเผือกทำให้ยุ่งเหยิงมากขึ้น ไม่มีแหล่งที่มาที่ชัดเจนของอนุภาคพลังงานสูงในดาราจักรของเรา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไม่มีนิวเคลียสของดาราจักรที่ยังทำงานอยู่ แกนกลางของดาราจักรของเราไม่คึกคักมาหลายล้านปีแล้ว

Halzen คาดเดาว่านิวตริโนเหล่านี้มาจากรังสีคอสมิกที่เกิดขึ้นในช่วงก่อนหน้าของกาแลคซีของเรา “เรามักจะลืมไปว่าเรากำลังมองดูช่วงเวลาหนึ่งในช่วงเวลาหนึ่ง” เขากล่าว “ตัวเร่งปฏิกิริยาที่สร้างรังสีคอสมิกเหล่านี้อาจสร้างขึ้นเมื่อหลายล้านปีก่อน”

สิ่งที่โดดเด่นในภาพใหม่ของท้องฟ้าคือความสว่างที่เข้มข้นของแหล่งต่างๆ เช่น NGC 1068 และ TXS ทางช้างเผือกซึ่งเต็มไปด้วยดาวฤกษ์ใกล้เคียงและก๊าซร้อน ส่องสว่างกว่ากาแลคซีอื่นๆ ทั้งหมดเมื่อนักดาราศาสตร์มองด้วยโฟตอน แต่เมื่อดูในนิวตริโน “สิ่งที่น่าทึ่งคือเราแทบจะมองไม่เห็นกาแล็กซีของเราเลย” ฮัลเซนกล่าว “ท้องฟ้าถูกครอบงำโดยแหล่งนอกกาแล็กซี”

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ต้องการใช้แหล่งที่ไกลกว่าและสว่างกว่าเพื่อศึกษาสสารมืด แรงโน้มถ่วงควอนตัม และทฤษฎีใหม่เกี่ยวกับพฤติกรรมนิวตริโน

การทดสอบฟิสิกส์พื้นฐาน

นิวตริโนเสนอเงื่อนงำที่หาได้ยากว่าทฤษฎีอนุภาคที่สมบูรณ์กว่านี้จะต้องมาแทนที่ชุดสมการอายุ 50 ปีที่เรียกว่า Standard Model แบบจำลองนี้อธิบายถึงอนุภาคมูลฐานและแรงด้วยความแม่นยำที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ แต่มันผิดพลาดเมื่อพูดถึงนิวตริโน: มันทำนายว่าอนุภาคที่เป็นกลางนั้นไม่มีมวล แต่ก็ไม่ใช่ — ไม่ใช่ซะทีเดียว

นักฟิสิกส์ค้นพบในปี พ.ศ. 1998 ว่านิวตริโนสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ระหว่างสามประเภทที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น นิวตริโนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์สามารถเปลี่ยนเป็นมิวออนนิวตริโนเมื่อถึงโลก เป็นต้น และเพื่อที่จะเปลี่ยนรูปร่าง นิวตริโนต้องมีมวล การสั่นจะสมเหตุสมผลก็ต่อเมื่อนิวตริโนแต่ละสปีชีส์เป็นส่วนผสมเชิงควอนตัมของมวลที่แตกต่างกันสามชนิด (ทั้งหมดมีขนาดเล็กมาก)

การทดลองหลายสิบครั้งทำให้นักฟิสิกส์อนุภาคสามารถค่อยๆ สร้างภาพของรูปแบบการสั่นของนิวตริโนชนิดต่างๆ ได้ เช่น แสงอาทิตย์ บรรยากาศ ในห้องปฏิบัติการ แต่นิวตริโนของจักรวาลที่มีต้นกำเนิดจาก AGNs นำเสนอพฤติกรรมการแกว่งของอนุภาคในระยะทางและพลังงานที่ใหญ่กว่าอย่างมากมาย สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเป็น คาร์ลอส อาร์เกลเลส-เดลกาโดนักฟิสิกส์นิวตริโนแห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมือกับ IceCube

แหล่งกำเนิดนิวตริโนในจักรวาลอยู่ไกลมากจนการสั่นไหวของนิวตริโนควรจะเบลอไปหมด — ไม่ว่านักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จะมองไปทางไหน พวกเขาคาดว่าจะเห็นเศษส่วนคงที่ของนิวตริโนทั้งสามชนิด ความผันผวนใดๆ ในเศษส่วนเหล่านี้จะบ่งชี้ว่าแบบจำลองการสั่นของนิวตริโนจำเป็นต้องคิดใหม่

ความเป็นไปได้อีกอย่างคือนิวตริโนในจักรวาลมีปฏิสัมพันธ์กับสสารมืดขณะที่พวกมันเดินทาง ตามที่หลายๆ คนทำนายไว้ โมเดลภาคมืด. แบบจำลองเหล่านี้เสนอว่าสสารที่มองไม่เห็นของเอกภพประกอบด้วยอนุภาคไม่เรืองแสงหลายประเภท ปฏิกิริยากับอนุภาคสสารมืดเหล่านี้จะกระจายนิวตริโนด้วยพลังงานเฉพาะและ สร้างช่องว่าง ในสเปกตรัมของนิวตริโนในจักรวาลที่เราเห็น

หรือโครงสร้างควอนตัมของกาล-อวกาศเองก็สามารถลากนิวตริโน และทำให้พวกมันช้าลงได้ กลุ่มที่อยู่ในอิตาลีเมื่อเร็ว ๆ นี้ โต้เถียงใน ธรรมชาติดาราศาสตร์ ข้อมูล IceCube นั้นแสดงนัยของเหตุการณ์นี้ แต่ นักฟิสิกส์คนอื่นไม่เชื่อ ของการเรียกร้องเหล่านี้

ผลกระทบเช่นนี้อาจใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที แต่ระยะห่างระหว่างกาแล็กซีสามารถขยายไปถึงระดับที่ตรวจจับได้ “นั่นเป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การสำรวจอย่างแน่นอน” Scholberg กล่าว

แล้ว Argüelles-เดลกาโดและผู้ทำงานร่วมกันได้ใช้พื้นหลังการแพร่กระจายของนิวตริโนในจักรวาล แทนที่จะเป็นแหล่งที่มาเฉพาะเช่น NGC 1068 เพื่อค้นหาหลักฐานเกี่ยวกับโครงสร้างควอนตัมของกาลอวกาศ ในขณะที่พวกเขา รายงานใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ ในเดือนตุลาคม พวกเขาไม่พบอะไรเลย แต่การค้นหาถูกขัดขวางเนื่องจากความยากลำบากในการจำแนกนิวตริโนชนิดที่สาม - เทา - จากนิวตริโนอิเล็กตรอนในเครื่องตรวจจับ IceCube สิ่งที่จำเป็นคือ "การระบุอนุภาคที่ดีขึ้น" ผู้เขียนร่วมกล่าว เทปเป คาโตริ ของคิงส์คอลเลจลอนดอน การวิจัยกำลังดำเนินการเพื่อ แยกทั้งสองประเภทออกจากกัน.

Katori กล่าวว่าการรู้ตำแหน่งและกลไกเฉพาะของแหล่งกำเนิดนิวตริโนในจักรวาลจะเสนอ "ก้าวกระโดดครั้งใหญ่" ในความไวของการค้นหาฟิสิกส์ใหม่เหล่านี้ สัดส่วนที่แน่นอนของนิวตริโนแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับแบบจำลองแหล่งกำเนิด และแบบจำลองที่ได้รับความนิยมมากที่สุดทำนายว่าจำนวนนิวตริโนทั้งสามชนิดจะมาถึงโลกในจำนวนเท่าๆ กัน แต่นิวตริโนของคอสมิกก็ยังเข้าใจได้ไม่ดีนัก ซึ่งความไม่สมดุลที่สังเกตได้ในเศษส่วนของทั้งสามประเภทอาจถูกตีความผิดได้ ผลลัพธ์อาจเป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วงควอนตัม สสารมืด หรือแบบจำลองการสั่นของนิวตริโนที่แตกหัก หรือเป็นเพียงฟิสิกส์ที่ยังคงพร่ามัวของการผลิตนิวตริโนในจักรวาล (อย่างไรก็ตาม อัตราส่วนบางอย่างอาจเป็น "ควันปืน" ของฟิสิกส์ใหม่ Argüelles กล่าว-เดลกาโด)

ในที่สุด เราต้องตรวจหานิวตริโนในจักรวาลให้มากขึ้นอีกมาก Katori กล่าว และดูเหมือนว่าเราจะ IceCube กำลังได้รับการอัพเกรดและขยายเป็น 10 ลูกบาศก์กิโลเมตรในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า และในเดือนตุลาคม เครื่องตรวจจับนิวตริโนใต้ทะเลสาบไบคาลในไซบีเรีย โพสต์ข้อสังเกตครั้งแรก ของนิวตริโนในจักรวาลจาก TXS

และลึกลงไปในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน เครื่องตรวจจับนิวตริโนหลายสิบสายเรียกรวมกันว่า กม.3 เน็ต กำลังถูกตรึงไว้บนพื้นทะเลโดยหุ่นยนต์ใต้น้ำเพื่อให้มองเห็นท้องฟ้านิวตริโนของจักรวาลได้อย่างสมบูรณ์ “แรงกดดันมหาศาล ทะเลเป็นสิ่งที่ไม่อาจให้อภัยได้” Paschal Coyle ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของ Marseille Particle Physics Center และโฆษกของการทดลองกล่าว แต่ “เราต้องการกล้องโทรทรรศน์มากขึ้นเพื่อตรวจดูท้องฟ้าและสังเกตการณ์ร่วมกันมากขึ้น ซึ่งกำลังจะมาถึงแล้ว”