آزمایشگاه IceCube واقع در جنوبگان، قطب جنوب

آشکارسازی یک ذره زیراتمی در قطب جنوب در سپتامبر گذشته به حل یک معمای بزرگ کیهانی کمک می‌کند: چه چیزی باعث می‌شود پرتوهای کیهانی، پرانرژی‌ترین ذرات در طبیعت، بار الکتریکی داشته باشند؟

پیگیری مطالعات بیش از دوازده رصدخانه نشان می‌دهد که برای اولین بار محققان یک کهکشان دوردست را به‌عنوان منبع نوترینوهای پرانرژی شناسایی کرده‌اند.

این کشف به نوبه خود می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا منبع اسرار دیگری را از پروتون‌ها و هسته‌های اتمی که از فضای خارج به زمین می‌رسند و درمجموع پرتوهای کیهانی نامیده می‌شوند، پیدا کنند. همان مکانیسمی که پرتوهای کیهانی را تولید می‌کند باعث تولید نوترینو‌های پرانرژی هم می‌شود.

گروه‌های مختلفی از محققان از سراسر جهان، درباره منبع نوترینو در حداقل هفت مقاله در ۱۲ جولای توضیحاتی ارائه کردند.

الیسا ریسکونی، اخترفیزیک‌دان ذرات از دانشگاه فنی مونیخ در آلمان، می‌گوید: «همه چیز حاکی از آن است که این یک منبع بسیار روشن و پرانرژی است، یک منبع باشکوه».

اخترفیزیک‌دان‌ها چند سناریو برای این پدیده اخترفیزیکی ارائه کردند که می‌تواند نوترینوی پرانرژی و همتای باردار الکتریکی آن هر دو را تولید کند: پروتون و هسته اتم با هم، پرتو کیهانی نامیده می‌شود. اما تاکنون نتوانسته‌اند هیچ‌یک از این ذرات را به‌صورت دقیق و واضح تا منبع آن دنبال کنند. این کار به‌خصوص درمورد پرتوهای کیهانی مشکل است، زیرا بار الکتریکی آنها باعث می‌شود مسیر حرکت آنها به‌سمت زمین، خم و منحرف شود، درحالی‌که مسیر حرکت نوترینوها مستقیم است.

این یافته بر وعده نجومی «چند پیام‌رسانی» نیز تاکید می‌کند، زمینه جدیدی از پژوهش که سیگنال‌های رصدخانه‌های مختلف را با هم ترکیب می‌کند تا جزئیات بیشتری از رخدادهای آسمانی را مشخص کند.

هشدار میون

داستان از 22 سپتامبر سال 2017 شروع شد‌، وقتی یک ذره باردار الکتریکی به نام میون، از کلاهک یخی جنوبگان با سرعتی نزدیک به سرعت نور گذشت. آیس‌کیوب (IceCube)، آرایه‌ای با بیش از ۵۰۰۰ حسگر که در فضایی به حجم یک کیلومتر مکعب یخ دفن شده است، فلاش‌هایی از نور را آشکارسازی کرد که میون در مسیر خود ایجاد کرده بود. به نظر می‌رسید که ذره از زیر آشکارساز ظاهر شده است، جهتی که نشان‌دهنده این است که محصول واپاشی نوترینویی است که از زیر افق می‌آید. میون‌ها فقط می‌توانند در داخل مواد حرکت کنند، درحالی‌که اغلب نوترینوها بدون هیچ مانعی از درون کل سیاره می‌گذرد. بیشتر آنچه که IceCube آشکارسازی کرد با ذراتی درون زمین برخورد داشتند و میون تولید کردند (به رصدخانه نوترینو مراجعه کنید[1]).

یک خوشه کامپیوتری در عرض چند ثانیه در ایستگاه قطب جنوبِ آموندسن- اسکاتِ بنیاد ملی علمی آمریکا، که درست در جنوبی‌ترین نقطه زمین قرار دارد، مسیر دقیق ذره را بازسازی کرد و تشخیص داد که این میون از یک نوترینوی بسیار پرانرژی می‌آید؛ ۴۳ ثانیه پس از این اتفاق، ایستگاه یک پیام هشدار خودکار از طریق ماهواره به شبکه ستاره‌شناسان ارسال کرد. در این پیام، نوترینوی موردنظر را IceCube-170922A نامیدند.

درک فاکس، اخترفیزیک‌دانی از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در University Park، پس از دریافت هشدار به‌سرعت زمان رصد را در رصدخانه سوییفت (Swift) که به دور زمین می‌چرخد، به‌دست آورد. فاکس، دوسال پیش یک سیستم خودکار هشدار ایجاد کرده بود، دقیقا به این امید که محققان بتوانند رخدادهایی از این دست را پیگیری کنند.

او و گروهش، ۹ منبعِ پرتو ایکسِ پرانرژی نزدیک به جایی که نوترینو از آن می‌آمد، ‌پیدا کردند. بین آنها جرمی بود که TXS 0506+056 نامیده می‌شد. یک هسته کهکشانی فعال (blazar)، کهکشانی با سیاه‌چاله اَبَرپرجرم در مرکز آن با منبع مشخصی از پرتو ایکس. در یک هسته کهکشانی فعال، سیاه‌چاله دمای گاز را تا میلیون‌ها درجه افزایش می‌دهد و از دو قطب به‌صورت دو جت موازی، که یکی از آنها به‌سمت منظومه شمسی است، به بیرون پرتاب می‌کند. گروه فاکس یافته‌های خود را چند روز بعد به جامعه ستاره‌شناسان اعلام کرد.

هیجان و هیاهو

در روزهای بعد گروه دیگری،‌ داده‌هایی را از آرایه بزرگ تلسکوپی (LAT) از تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمیِ ناسا بررسی کردند. LAT به طور پیوسته آسمان را جاروب می‌کند و بین همه اجرام دیگر حدود ۲۰۰۰ هسته کهکسانی فعال را نیز بازبینی و رصد می‌کند. این اجرام دوره‌هایی با افزایش فعالیت دارند که ممکن است چند هفته یا چند ماه طول بکشد، درخشندگی جرم در طی این دوره‌ها به‌صورت غیرمعمولی زیاد می‌شود. رجینا کاپوتو، اخترفیزیک‌دانی از مرکز پروازهای فضایی Goddard ناسا در مریلند، که تجزیه‌وتحلیل‌های Fermi-LAT را هماهنگ می‌کرد، می‌گوید: وقتی به ناحیه‌ای که IceCube گفته بود نوترینو از آنجا می‌آید نگاه کردیم، متوجه شدیم که این هسته کهکشانی فعال بیش از قبل می‌درخشد.

گروه Fermi-LAT در ۲۸ سپتامبر هشداری فرستاد و این یافته خود را اعلام کرد. اینجا بود که دیگر ستاره‌شناسان خیلی هیجان‌زده شدند. IceCube از زمانی که در سال ۲۰۱۰ شروع به کار کرده است، هر سال حدود ۱۲ نوترینوی پرانرژی آشکارسازی کرده است، اما هیچ‌یک از آنها به منبع ذرات در آسمان ربط نداشتند. فاکس می‌گوید: «این چیزی بود که باعث شد مو به تن همه سیخ شود».

بااین‌حال، ‌ارتباط بین نوترینو و شراره‌های هسته کهکشانی فعال TXS می‌توانست تصادفی باشد. محققان IceCube و Fermi-LAT هردو، برای تقویت این موضع، به‌جای اینکه در یک جهت بودن آنها را تصادفی بدانند، اختلاف بین شراره و نوترینو را محاسبه کردند.

آنا فرانکوویاک، اخترفیزیک‌دان ذرات از سینکوترون الکترونی آلمان (DESY) در زوریخ ‌و عضو IceCube و Fermi-LAT هر دو، می‌گوید: ما باید شانس اینکه نوترینوهای تصادفی در آسمان از یک منبع پرتو ایکس خاص می‌آیند را محاسبه کنیم و احتمال اینکه در همان زمان شراره هم در همان جهت باشد را بررسی کنیم. او و همکارانش دریافتند این احتمال وجود دارد، هرچند در سطحی نبود که مفاهیم آماری موردنیاز برای ادعای یک کشف فیزیکی را تامین کند[1].

شکار شواهد

پیدا کردن نوترینوها و پرتوهای ایکس بیشتر که در طی درخشش پیشین یک هسته فعال کهکشانی آشکارسازی شده بودند، شواهدی به نفع TXS 0506+056، که منبع مورد نظر باشد، را افزایش داد. محققان IceCube در نوامبر متوجه شدند که این رصدخانه بین اواخر سال ۲۰۱۴ و ۲۰۱۵، نوترینوهای بیشتری از همان جهت در آسمان را ثبت کرده است.

رسکونی، عضو ارشد IceCube، از این کشف بسیار هیجان‌زده شده بود، آنقدر که هنگام رانندگی به‌سمت کنسرت Nick Cave بعداز کار، گم شد و درنهایت از حومه شهر سر درآورد؛ همکارانم اکنون مرا دست‌ می‌اندازند که هیچ‌‌کس نمی‌داند دفعه بعد که منبع نوترینویی را پیدا کردیم، کجا خواهی رفت.

خیلی زود محققان متوجه شدند که این شراره آشکار در داده‌های Fermi-LAT دیده نمی‌شود. رسکونی می‌گوید: این اخبار مثل آب سردی بود که روی ما ریختند. اما او و همکارانش در یک پژوهش دیگر نشانه‌هایی از شراره‌های TXS در آن دوره پیدا کردند، اما با پرتوهای گاما و انرژی‌هایی بسیار بیشتر از آنچه که Fermi-LAT آشکارسازی کرده بود.

سیمون پایانو، از رصدخانه اخترفیزیکیِ پادوا در ایتالیا، می‌گوید: یک قطعه مهمِ گمشدة اطلاعات، فاصله هسته کهکشانی فعال از زمین بود. آنها برای اندازه‌گیری این فاصله، ۱۵ ساعت وقت رصد از بزرگ‌ترین تلسکوپ اپتیکی جهان، تلسکوپ ۱۰.۴ متری Gran Telescopio Canarias در لاپالما یکی از جزایر قناری، را رزرو کردند. آنها دریافتند که این فاصله حدود ۱.۱۵ میلیارد پارسک (۳.۸۷ میلیون سال نوری) از زمین است[2].

کیل کرنمر، کارشناس ارشد فیزیک ذرات و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها از دانشگاه نیویورک، می‌گوید: این داده‌ها با هم به منبع احتمالی اشاره می‌کنند، اما رصدها دقیق نیست. پیگیری بیشتری نیاز است تا قطعا اثبات کند که هسته کهکشانی فعال، منبع نوترینوهای پرانرژی است.

محققان امیدوارند که این مورد، اولین نمونه از رخدادهای چندرسانه‌ای از این دست باشد. آنها به‌طور خاص به‌دنبال آشکارسازی نوترینو به‌همراه امواج گرانشی هستند. برخورد مهم دو ستاره نوترونی که بااستفاده از امواج گرانشی در آگوست ۲۰۱۷ کشف شد نیز باید نوترینوهایی این‌چنینی تولید کرده باشد، اما IceCube هیچ چیزی ثبت نکرده است. اما اگر بار دیگر شراره‌های هسته کهکشانی TXS بدرخشند، احتمال آشکارسازی نوترینوهای پرانرژی بیشتر و دیگر انواع تابش‌های ناشی از آن وجود دارد.

منبع:

مراجع:

[1] The IceCube Collaboration. Science 361, 147–151 (2018).

[2] The IceCube Collaboration et al. Science 361, eaat1378 (2018).

[3] Paiano, S. et al. Astrophys. J. Lett. 854, L32 (2018).