جدید ترین عناوین خبری امروز
مجله علمی کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

نوترینوها برای نخستین‌بار به یک چشمه‌ی کیهانی مرتبط شدند

نوترینوها برای نخستین‌بار به یک چشمه‌ی کیهانی مرتبط شدند

سپتامبر گذشته، یک مهمان کمیاب از دوردست‌های راه‌شیری، عصر جدیدی از ستاره‌شناسی را کلید زد. این مهمان، یک نوترینوی کیهانی فرا-پرانرژی است که در قطب جنوب، جایی که آشکارسازهای آزمایش IceCube منتظر شکار آن بودند، به یخ برخورد کرده و بیش از یک مایل در آن فرو رفته بود. فیزیکدانان پس از ردیابی سریع جهتی اولیه‌ی نوترینو، متوجه خوش‌شانسی عجیبی شدند! چرا که یک تلسکوپ دیگر، که به دور زمین می‌گردد، دقیقا در همان جهت جریانی از تابش بسیار پرانرژی را شناسایی کرد.

این دو رویداد می‌توانست یک تصادف کیهانی باشد. اما وقتی فیزیکدانان به داده‌های آرشیو شده دقت نمودند، چندین نوترینوی دیگر، که به نظر می‌رسید از همان جهت آمده‌اند، را پیدا کردند. این مدرک تاییدکننده آن‌ها را متقاعد کرد که توانستند برای اولین‌بار یک سرنخ از نوترینوهای فرا-پرانرژی کیهانی که به چشمه‌ی اخترفیزیکی‌شان بازمی‌گردد، ثبت کنند.

به نظر می‌رسد که این چشمه یک ابرسیاه‌چاله در مرکز یک کهکشان دوردست باشد. هر بار که یک سیاه‌چاله، یک ستاره را قورت می‌دهد، جریانی از تابش بسیار پرانرژی را به شکل یک جت لیزر-گونه با فشار به بیرون پرتاب می‌کند. ستاره‌شناسان اصطلاحا می‌گویند که زبانه می‌کشد. آنان این سیاه‌چاله‌های زبانه‌کشنده را «بلازار» می‌نامند و معتقد هستند که نوترینوهای پرانرژی محصول فرعی این تابش هستند.

این یافته که در دو مقاله‌ی چاپ شده در ژورنال Science توصیف شد، فقط یک مناظره‌ی طولانی مدت در ستاره‌شناسی برای منشا نوترینوهای پرانرژی نبوده است. روپش اجها (Roopesh Ojha) اخترفیزیکدانی در مرکز پرواز فضایی گادارد ناسا (NASA Goddard Space Flight Center) گفت: «این کشف نمونه‌ی دومی (پس از کشف سال گذشته‌ی ستاره‌های نوترونی برخوردکننده) از یک رویکرد علمی تازه با نام ستاره‌شناسی چندپیامی است که در آن ستاره‌شناسان با استفاده از نور و پیام‌های (سیگنال‌های) کیهانی دیگر (در این مورد نوترینوها و در موارد دیگر امواج گرانشی) استفاده می‌کنند تا جزئیات یک رویداد اخترفیزیکی را آشکار سازند.»

دقیق‌ترین تصویر ثبت شده از مرکز تولید نوترینو درون خورشید

هشدار جهانی

وقتی نوترینوها دریافت شدند، آلبرکت کارله (Albrecht Karle)، رییس آزمایش IceCube، در دفتر خود در دانشگاه ویسکوزین مدیسون در حال آماده شدن برای سفر نوامبر خود به قطب جنوب بود. IceCube بیش از ۵۰ هزار نمونه نوترینو را به طور سالانه آشکارسازی می‌کند اما فقط حدود ۱۰ تا از آن‌ها در انرژی‌های بسیار بالا هستند که نشان می‌دهد که از خارج کهکشان راه شیری می‌آیند. وقتی این آشکارساز یک نمونه نوترینوی پرانرژی کشف می‌کند، ظرف چند دقیقه هشداری را به اعضای گروه و رصدخانه‌های سرتاسر جهان ارسال می‌نماید.

این هشدار بر روی کامپیوتر کارله بالا آمد و گفت که این نمونه نوترینو که IceCube-170922A نامیده شد، حامل تقریبا ۳۰۰ تراالکترون-ولت انرژی است؛ انرژی که بیش از ۴۰ برابر انرژی پروتون‌های تولیدشده توسط برخوردهنده‌ی بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) در سرن است. کارله به الیسا برناردینی (Elisa Bernardini)، فیزیکدان اختر-ذره‌ای در دانشگاه هامبولدت (Humboldt)‌ آلمان گفت: «من معمولا به راحتی شگفت‌زده نمی‌شوم اما این یکی از مواردی است که مرا متعجب می‌کند».

آزمایشگاه IceCube در قطب جنوب خانه‌ی کامپیوترهایی است که داده‌هایی از هزاران آشکارساز دفن‌شده در برف را جمع‌آوری می‌کند. اعتبار تصویر: Martin Wolf, IceCube/NSF
آزمایشگاه IceCube در قطب جنوب خانه‌ی کامپیوترهایی است که داده‌هایی از هزاران آشکارساز دفن‌شده در برف را جمع‌آوری می‌کند. اعتبار تصویر: Martin Wolf, IceCube/NSF

به سراغ فرمی بروید. وقتی IceCube نوترینو را کشف کرد، تلسکوپ ناحیه بزرگ فرمی واقع در فضا (space-based Fermi Large Area Telescope) شروع به اسکن کردن ناحیه‌ای از آسمان نمود که این نوترینو در آن آشکار شده بود. همچنین زبانه‌کشیدن تابش گاما با شدت زیادی ثبت شد. اوجها با تلسکوپ فرمی همکاری می‌کند و وقتی هشدار IceCube به ایمیل او آمد، فورا متوجه شد که اتفاق مهمی رخ داده است. آن‌جا کمی غرب‌تر از بلاتریکس (Bellatrix)، ستاره‌ای در صورت فلکی شکارچی، یک بلازار با نام TXS 0506+056 زندگی می‌کند.

اولین تصویر از یک سیاه‌چاله

سپس اوجها کاتالوگی از چشمه‌های رادیویی را چک نمود در حالی که یکی از همکاران او، چشمه‌های نوری را امتحان می‌کرد. آن‌ها یک افزایش در پرتوهای گاما، امواج رادیویی و امواج نوری آمده از بلازار دریافتند. آن در حال زبانه کشیدن بود.
اوجها گفت که تمام بلازارها ماهیت متغییری دارند اما در طی سه ماه گذشته، این یکی ۵۱امین مورد درخشان در یک کاتالوگ خاص به ۵ مورد اول انتقال یافت. علاوه بر فرمی، این زبانه‌کش، تلسکوپ پرتوی گامای واقع در فضای دیگری با نام سوییف (Swift) نیز دیده شد.

در جزایر قناری در تلسکوپ پرتوی گاما واقع در زمین مجیک (Magic)‌ نیز هیجان در حال افزایش بود. پس از چند شب با آب و هوای بد، زبانه‌کش به مرکز توجه بازگشت و تلسکوپ، پرتوهای گاما را با انرژی فراتر از ۴۰۰ گیگاالکترون-ولت نشان داد. سارا بوزن (Sara Buson)‌، اخترفیزیکدانی در مرکز پرواز فضایی گادارد ناسا گفت: «این افزایش در تابش توسط چندین ابزار تأیید شده بود و در یک سری از ایمیل‌های مهیج و آشفته تبادل می‌شد.»

همانند مورد ستاره نوترونی ترکیب‌شونده، ستاره‌شناسان در سرتاسر جهان سریع دست به کار شدند. در روزها و هفته‌های پس از هشدار IceCube، ابزارهای بیشتر و بیشتری به سمت این بلازار چرخیدند. درنهایت ۱۸ رصدخانه، تابش در طول موج‌های مختلف را دقیقا در همان محلی که تصور می‌شد نوترینو از آن آمده، ثبت کردند.

چیزی که نوترینوها آشکار می‌کنند

نوترینوها، اگر چه سخت آشکارسازی می‌شوند، یک مزیت کلیدی نسبت به رصدهای با نور پیشنهاد می‌دهند: جهان اساسا نسبت به تابش الکترومغناطیسی فراتر از یک انرژی خاص، مات است. از طرف دیگر، نوترینوهای پرانرژی، بدون محدودیت در سراسر کیهان هستند. هنگامی که آن‌ها گرفتار و آشکارسازی می‌شوند، اصلی‌ترین اطلاعاتی که حمل می‌کنند، صرف نظر از این که از چه فاصله‌ی دوری آمده‌اند، بی‌عیب می‌مانند. دانشمندان امیدوارند تا بتوانند با نوترینوهای کافی، موفقیت‌هایشان-شامل پرانرژی‌ترین رویدادها در جهان-را به تصویر بکشند، همانطور که ما با تابش الکترومغناطیس این کار را انجام می‌دهیم.

ستاره‌شناسان چگونه اولین تصویر از سیاه‌چاله را شکار کردند؟
وقتی یک نوترینو در یخ حرکت می‌کند، درخشش ضعیفی بایجاد می‌کند که می‌تواند توسط آشکارسازهای تصویری IceCube ثبت شود و تا ناحیه‌ای از آسمان که نوترینوها از آن سرچشمه گرفته‌اند، ردیابی شود.
وقتی یک نوترینو در یخ حرکت می‌کند، درخشش ضعیفی بایجاد می‌کند که می‌تواند توسط آشکارسازهای تصویری IceCube ثبت شود و تا ناحیه‌ای از آسمان که نوترینوها از آن سرچشمه گرفته‌اند، ردیابی شود.

دانشمندان معتقد هستند که این کشف، گامی مهم برای حل تعداد زیادی از معماهای فیزیکی همانند منشا پرتوهای فراانرژی کیهانی است. این ذرات، از پروتون‌ها یا هسته‌های اتمی سنگین‌تر که بر روی زمین از فضا بارش می‌شوند ساخته شده‌اند و تصور می‌شود که در فرآیندهای یکسانی مانند نوترینوها متولد شده‌اند. محققان فرض می‌کنند که آن‌ها از دو ستاره‌ نوترونی ترکیب‌شونده‌ می‌آیند یا شاید توسط مگنتارها، ستارگان نوترونی به سرعت چرخنده که میدان‌های مغناطیسی قوی تولید می کنند، ساخته شده باشند. این یافته همچنین می‌تواند به تعیین دقیق جرم نوترینو، کشف دیگر انواع پیش‌بینی‌های نوترینویی همانند نوترینوهای استریل و حتی شاید آشکارسازی ماده تاریک کمک کند.

ستاره‌شناسان برای انجام این کار، مجبور به یافتن نوترینوهای بیشتر در انرژی‌های بالاتر و ردیابی آن‌ها در آسمان خواهند بود. حتی این نوترینو، آنقدر پرانرژی بود که قابل قیاس با پرانرژی‌ترین نوترینوهایی که IceCube کشف کرده بود، که در میان‌شان سه تا از نوترینوها با انرژی‌هایی در گستره‌ی پتاالکترون-ولت یا هزار برابر یک تراالکترون-ولت بودند، نیست.

این نوترینوها با نام‌های ارنیه (Ernie)، برت (Bert) و پرنده‌ی بزرگ (Big Bird)، که نام‌شان الهام گرفته از Sesame Street است، هنوز به طور قطعی به چشمه‌هایشان دنباله‌گیری نشده‌اند (اگر چه حدسی جود دارد که شاید مهبانگ (نظریه انفجار بزرگ) سرچشمه‌ی بلازار زبانه‌کش PKS B1424-418 بوده است). آرایش این نوترینوها تا حدی عدم قطعیت را خدشه‌دار می‌کنند چرا که آن‌ها همگی از خانواده‌ی الکترون-نوترینو هستند. چنین نوترینوهایی، آبشارهایی از ذرات در آشکارساز IceCube تولید می‌کنند که همانند یک مخروط بستنی گسترده به بیرون تابش می‌کند. این باعث می‌شود که با روشی نسبتا ساده انرژی نوترینو را تخمین بزنیم اما ردیابی جهتش سخت است. از طرف دیگر، نوترینوهای میوآنی، آبشاری از ذرات مستقیم و طولانی که به آن‌ها جهت دقیق و انرژی نادقیقی می‌دهد، تولید می‌کند. (نوترینویی که سپتامبر گذشته کشف شد، یک نوترینوی میوآنی بود.)

شاید اینشتین اشتباه کرده باشد!

کارله گفت که طی چند سال گذشته، IceCube نوترینوهایی شاید حتی با سطوح انرژی بالاتر از سه تای Sesame Street آشکارسازی شده‌اند، اگر چه برخی از داده‌ها هنوز هم در حال تجزیه و تحلیل هستند. دانشمندان IceCube پیش از این داده‌های ۴ سال بیشتر را فراتر از داده‌های اصلی ثبت شده از ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۱ تجزیه و تحلیل کرده‌اند، وقتی ارنیه و برت آشکارسازی کرده بودند. تاکنون آن‌ها در کل ۵۴ رویداد نوترینویی پرانرژی اضافی را کشف کرده‌اند. اوجها گفت: «حالا زمان موفقیت است.»

منبع: Quanta Magazine

 دسته‌ها:
       
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

عبور سیارک
عبور سیارک بزرگی در روز ۱۰ آگوست از نزدیکی زمین
98
نظریه‌های توطئه‌ی ماه
مهم‌ترین نظریه‌های توطئه‌ی ماه و بررسی آن‌ها
130
ماموریت فرود بر روی ماه
ماموریت فرود بر روی ماه «آپولو۱۱» نشان داد که موجودات فرازمینی فراتر از داستان‌های علمی‌تخیلی هستند
145
تمدن‌های فرازمینی
تمدن‌های فرازمینی از چه راه‌هایی می‌توانند با ما ارتباط برقرار کنند؟
105
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
152

ذرات بنیادی

اولین تصویر درهم‌تنیدگی کوانتومی
دانشمندان از اولین تصویر درهم‌تنیدگی کوانتومی پرده‌برداری کردند
204
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
92
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
109
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
49
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
173