هر آنچه در مورد شبح‌های فضایی باید بدانید!

الهام سروری

۱۸ آبان ۱۴۰۱ | ۰۶:۳۷ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۶ دقیقه

راز ماده‌ی تاریک با کمک نوترینوها بر ملا می‌شود!

نوترینوها ذرات بسیار بسیار کم جرمی هستند که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند. این ذرات شبح‌گونه دارای دو ویژگی کاملا بارز هستند؛ اول اینکه هیچ باری ندارند و دوم اینکه جرم بسیار بسیار کمی دارند! در همین راستا جالب است بدانید که فیزیکدانان برای دهه‌ها معتقد بودند که نوترینو جرم ندارد، اما با پیشرفت آشکارسازها اطلاعات ما در مورد مشخصات این ذرات افزایش پیدا کرده است تا اینکه امروزه می‌توانیم از این ذرات شبح‌وار کمک بگیریم تا رازهای کیهان را برای ما برملا کنند!

نوترینو چیست و چه چیزی در مورد آن مهم است؟

نوترینوها فراوان‌ترین ذره‌های زیر اتمی در جهان هستند، اما به ندرت با هر نوع ماده‌ای برهم‌کنش دارند. جالب است بدانید که ما انسان‌ها در هر ثانیه توسط میلیون‌ها نوترینوی کوچک بمباران می‌شویم، با این حال بدون اینکه متوجه شویم این ذرات عجیب درست از میان ما عبور می‌کنند. به همین دلیل اسحاق آسیموف « Isaac Asimov» به آن‌ها لقب ذرات شبح‌گونه «ghost particles» را داده است!

برای دهه‌ها فیزیکدانان فرض را بر این گذاشته بودند که نوترینوها جرمی ندارد، اما امروزه می‌دانیم که این ذره‌ها حدودا ۵۰۰۰۰۰ بار سبک‌تر از الکترون هستند!

طبیعتا این میزان کمِ برهم‌کنش به علت ویژگی‌های نوترینو، آشکارسازی این ذره را بسیار دشوار می‌کند، از طرفی سبک بودن این ذره‌ها عاملی است که می‌تواند به نوترینو کمک کند که بدون مانع (و در نتیجه تا حد زیادی بدون تغییر) در اثر برخورد با سایر ذرات پراکنده شوند. این بدان معناست که نوترینوها می‌توانند سرنخ‌های ارزشمندی را در مورد منظومه‌های دوردست در اختیار منجمان و فیزیکدانان قرار دهند که در کنار وجود تلسکوپ‌هایی با قابلیت آشکارسازی طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیسی و امواج گرانشی بتوانند رازهای بیشتری را از کیهان به ما بیاموزند.

نوترینوها به حل رازهای کیهان کمک می‌کنند!

از زمانی که فیزیکدان فرانسوی پیر اوژه «Pierre Auger» در سال ۱۹۳۹ پیشنهاد داد که پرتوهای کیهانی باید مقادیر باورنکردنی‌ای از انرژی را حمل کنند، دانشمندان در مورد اینکه چه چیزی می‌تواند این خوشه‌های قدرتمند از انرژی را در جو زمین تولید کنند، متحیر بودند. در همین راستا یکی از راه‌های ممکن برای شناسایی چنین منابعی، مهندسی معکوس کردن مسیرهایی است که نوترینوهای کیهانی پرانرژی در مسیر خود به زمین طی می‌کنند. این ذرات در اثر برخورد پرتوهای کیهانی «cosmic rays» با ماده یا تشعشعات ایجاد می‌شوند و پس از این برخورد به ذراتی همچون نوترینوها و پرتوهای گاما تجزیه می‌شوند!

دانشمندان رصدخانه‌ی ردیاب نوترینو «IceCube» پس از یک دهه بررسی و تجزیه و تحلیل چنین نوترینوهایی به شواهدی دست یافتند که نشان می‌دهد کهکشانی فعال به نام « Messier 77»کاندیدای قوی‌ای برای انتشار نوترینوهای پرانرژی است. با توجه به این موضوع، اخترفیزیکدانان امیدواراند با کشف این منبع، یک قدم به حل معمای منشا پرتوهای کیهانی انرژی بالا نزدیک شوند!

رصدخانه ردیاب نوترینو آیس کیوب، رصدخانه‌ای علمی و پژوهشی است که در جنوبگان احداث شده است. جالب است بدانید که سیستم آشکارسازی این رصدخانه دارای هزاران حسگر حساس به نور است که درون فضایی به وسعت یک کیلومتر مکعب یخ پراکنده شده‌ است. آیس کیوب نخستین ردیاب نوترینو برای یافتن منبع پرتو کیهانی است و به گونه‌ای طراحی شده که به جستجوی منابع نوترینو در طیف‌های الکترون‌ولت باشد.

هنگامی که یک نوترینو با مولکول‌های موجود در یخ شفافِ جنوبگان برهم‌کنش می‌کند، ذرات ثانویه‌ای تولید می‌شود که در حین عبور از آشکارساز آیس کیوب ردی از نور آبی از خود به جای می‌گذارند.

چرا رصدخانه‌های نوترینو را زیر زمین می‌سازند؟

در دنیای علم، بیشتر آشکارسازهای نوترینو را در اعماق زمین دفن می‌کنند؛ چراکه با این روش آشکارسازی این ذرات، راحت‌تر می‌شود و از تداخل با سایر ذرات حاصل از کیهان در امان خواهند بود. در این میان رصدخانه‌ی آیس کیوب هم از این قاعده مستثنی نیست و آرایه‌هایی از جنس حسگرهای نوری به اندازه‌ی علم سبدِ بسکتبال، در اعماق یخ‌های جنوبگان مدفون شده‌ است!
حال اگر در حالت نادری یک نوترینوی عبوری از رصدخانه با هسته‌ی یک اتم در یخ برهم‌کنش کند، این برخورد ذرات بارداری را تولید می‌کند که از خود امواج فرابنفش و فوتون‌های آبی رنگی ساطع می‌کنند که توسط آشکارسازها گرفته می‌شود. بنابراین احتمالا به خوبی متوجه شده‌اید که این رصدخانه‌ی خاص در موقعیت خوبی قرار دارد و می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند که دانش خود را در مورد منشاء پرتوهای کیهانی با انرژی بالا، ارتقا دهند.

پرتوهای کیهانی می‌توانند شامل پروتون یا خوشه‌های از نوترون و پروتون با انرژی معمول باشند، در حالی که پرتوهای کیهانی با انرژی فوق‌العاده بالا بسیار پرانرژی‌تر از پروتون‌هایی هستند که با سرعت ۹۹.۹۹۹۹۹۹۱ درصد سرعت نور در تونل‌های دایره‌ای برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی می‌چرخند.

در حالت کلی لازم است بدانید که پرتوهای کیهانی تنها شامل هسته‌های اتمی (همچون یک پروتون یا خوشه‌ای از پروتون‌ها و نوترون‌ها) هستند؛ با این حال، پرتوهای نادری که به عنوان پرتوهای کیهانی با انرژی فوق‌العاده بالا شناخته می‌شوند، به اندازه توپ‌های تنیسی که با سرویسی حرفه‌ای به سمت ما می‌آیند، انرژی دارند. این دسته از پرتوهای کیهانی میلیون‌ها بار پرانرژی‌تر از پروتون‌هایی هستند که با سرعت ۹۹.۹۹۹۹۹۹۱ درصد سرعت نور در تونل‌های دایره‌ای برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی در اروپا می‌چرخند.

جالب است بدانید که پرانرژی‌ترین پرتوی کیهانی که تاکنون کشف شده است با نام مستعار «Oh-My-God particle»، در سال ۱۹۹۱ کشف شد، که چیزی در حدود ۹۹.۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۵۱ درصد سرعت نور را داشت. این نوع نوترینو انرژی‌ای تقریباً مشابه‌ با انرژی توپ بولینگی را داشت که از پوزیشن پرتاب به راستای انگشتان پای پرتاب‌کننده می‌رسد.

انرژی این نوترینو تقریباً مشابه‌ با انرژی توپ بولینگی بود که از پوزیشن پرتاب به راستای انگشتان پای بازیکن می‌رسد.

سرچشمه‌ی پرتوهای قدرتمند کیهانی

اما چنین پرتوهای کیهانی قدرتمندی از کجا سرچشمه می‌گیرند؟ یک احتمال قوی برای پاسخ به این سوال، هسته‌های فعال کهکشانی (AGNs) است که در مرکز برخی کهکشان‌ها یافت می‌شوند. درواقع انرژی این دسته از هسته‌های فعال از سیاهچاله‌های بسیار پرجرم در مرکز کهکشان یا سیاهچاله‌های در گردش ناشی می‌شود!

با توجه به تعداد زیاد نوترینوهای پس زمینه و سایر ذرات در جو زمین، یافتن منابع نوترینوهای پرانرژی در فضا کار آسانی نیست. در سال ۲۰۱۸، رصدخانه‌ی آیس کیوب، هجمه‌ای از نوترینوها را که به نظر می‌رسید از یک بلازار (هسته‌ی فعال کهکشانی با قابلیت ساطع‌ کردن ذراتی با سرعت نور یا نزدیک به نور) آمده است، آشکارسازی کرد. در عین حال دانشمندان نیاز به یافتن منابع نوترینوی کیهانی دیگر و مشابه، برای تطبیق این مشاهدات با مدل‌های نوترینوی موجود داشتند. در همین راستا «Messier 77» یکی دیگر از کهکشان‌های نامزد برای منبع پرتوهای کیهانی و نوترینوهای پرانرژی است.

«Messier 77» در سال ۱۷۸۰ توسط ستاره‌شناسی فرانسوی به نام پیر میشاین «Pierre Mechain» کشف شد. در آن زمان این ستاره‌شناس این کهکشان را به عنوان یک خوشه‌ی ستاره‌ای فهرست کرده بود، اما هم‌اکنون می‌دانیم که این جرم آسمانی موردتوجه چیزی به جز یک کهکشان مارپیچی و با بازوهای میله‌ای (شبیه به راه شیری) در صورت فلکی سیتوس و در فاصله حدودا ۴۶ میلیون سال نوری از زمین نیست! جالب است بدانید که در اوایل سال جاری (۲۰۲۲) اخترشناسان با استفاده از تداخل‌سنج تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانه جنوبی اروپا تأیید کردند که «Messier 77» دارای یک سیاهچاله‌ی بسیار پرجرم در مرکز خود است که توسط گاز و غبار غلیظ پوشیده شده است.

کشف منابع پرتوهای کیهانی قدرتمند

سرانجام در سال ۲۰۲۰ با استفاده از تکینیک‌های یادگیری ماشین و با همکاری محققان رصدخانه‌ی آیس کیوب داده‌های جمع‌آوری‌شده بین سال‌های ۲۰۰۸ و ۲۰۱۸ مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و طی این مطالعه مشخص شد که بیش از ۷۹ نوترینوی پس زمینه، با اهمیت آماری ۴.۲ سیگما (دلیل کافی برای اعلام کشف یک چیز!) از ۴ کاندیدای محتمل هسته‌ی فعال کهکشانی (AGN) ساطع شده است! لازم به ذکر است که در این مسیر این آزمایش‌ها بارها و بارها تکرار شده است و احتمال اینکه به طور تصادفی به این نتیجه رسیده باشند کمتر از ۱ در ۱۰۰۰۰۰ است.