اشباح کیهانی در یخ‌های قطب جنوب چه می‌کنند؟

نوترینو، به معنی “کوچک خنثی”، ذره‌ای بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی و بدون بار است و به ندرت با ماده معمولی برهم‌کنش می‌کند. این ذرات با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و می‌توانند از هر چیزی در سراسر گیتی عبور کنند.

برای درک بهتر این موضوع کافی است تصور کنیم که سدی به اندازه یک سال نوری از سرب (به عبارتی به اندازه حدود ۹ تریلیون کیلومتر سرب) قادر است تنها حدود نیمی از نوترینوهای عبوری را متوقف کند و اساسا به همین دلیل است که دانشمندان نوترینوها را “ذرات شبح” می‌نامند.

تا مدت‌ها تصور می‌شد که نوترینوها اساسا ذراتی بی‌جرم هستند و مدل استاندارد فیزیک ذرات نیز جرم نوترینوها را صفر در نظر می‌گرفت. اما امروزه می‌دانیم که نوترینوها در واقع “تقریبا” بدون جرم هستند. “نوترینو تاو” که دانشمندان به تازگی هفت نامزد احتمالی برای آن را شناسایی کرده‌‌اند، یکی از سه نوترینوی شناخته‌شده در علم – با نام‌های نوترینو الکترون، نوترینو میون، و نوترینو تاو – به شمار می‌رود.

پیش از این، اغلب دو نوترینو الکترون و میون در انرژی‌های مختلف و از منابع مختلفی شناسایی شده بودند که از منابعی خارج از زمین، از جمله از خورشید یا از منابع دیگری درون کهکشان، مانند انفجار ابرنواختر و نیز از منابعی بیرون از  کهکشان، آمده‌ بودند.

اما نوترینو تاو با انرژی‌های بالا تاکنون به ندرت آشکارسازی شده بود و پژوهشگران رصدخانه نوترینو آیس‌کیوب واقع در قطب جنوب، از مدت‌ها پیش به دنبال یافتن نشانه‌هایی از وجود نوترینو تاو بودند.

پرسشی که در این جا ممکن است مطرح شود این است که آشکارسازی این ذرات مرموز و شگفت‌انگیز چه نتایجی در بر دارد. واقعیت این است که این ذرات اصطلاحا پیام‌رسان، اطلاعات ارزشمندی را از هر چهار نیروی بنیادی عالم به زمین می‌آورند و به ما کمک می‌کند تا درباره پدیده‌های آشوبناک گیتی در کیهان دوردست بیشتر و بیشتر بدانیم.

نوترینوها، پرتوهای کیهانی و همچنین امواج گرانشی و پرتوهای گاما، از جمله این پیام‌رسان‌ها محسوب می‌شوند که کیهان‌شناسان تلاش می‌کنند آن‌ها را به یکدیگر ارتباط دهند تا دریابند برای مثال در سیاهچاله‌های دوردست، ابرنواخترهای تولیدشده در اثر فروپاشی هسته‌ای و یا بلازارها (هسته‌های فعال کهکشانی که جهت جت پرانرژی ذرات و نور آن‌ها به سمت ما قرار گرفته) دقیقا چه می‌گذرد.

از جمله منابع پیام‌رسان چندگانه، می‌توان به فوران‌های پرتو گاما اشاره کرد که در دایره آشوبناک‌ترین پدیده‌های شناخته‌شده‌ گیتی جای می‌گیرند. این فوران‌ها با درخشندگی بسیار زیاد، زمانی رخ می‌دهند که یک ستاره‌ پرجرم با بیش از ۲۵ برابر جرم خورشید، فروپاشیده ‌شود تا در ادامه یک سیاهچاله شکل بگیرد. در اثر این فرایند، علاوه بر گسیل پرتو گاما، ممکن است سیگنال‌های امواج گرانشی نیز ساطع شوند که می‌توان آنها را در زمین شناسایی کرد.

در واقع دانشمندان با بررسی هم‌زمان نوترینوهای شناسایی‌شده در رصدخانه آیس‌کیوب، و پرتوهای گامای آشکارسازی‌شده از رصدخانه‌های دیگر از جمله سوییفت و فرمی، در پی یافتن نوترینوهایی هستند که به طور هم‌زمان و از جایی یکسان در عالم، همراه با پرتوهای گاما به زمین رسیده‌‌اند.

یکی از شگفت‌انگیز‌ترین نمونه‌های آشکارسازی ذرات شبح‌مانند نوترینو، ثبت یک نوترینوی پرانرژی در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ بود که پس از طی یک سفر حدود ۵ میلیارد ساله، در یخ‌‌های رصدخانه‌ نوترینوی آیس‌کیوب در ایستگاه قطب جنوب آمونسن-اسکات به دام افتاد.

آیس‌کیوب در ایستگاه قطب جنوب آمونسن-اسکات رصدخانه‌ای است که در میان یک میلیارد تن یخ ساخته‌شده و تنها آشکارساز گیگاتنی زمین به شمار می‌رود

کیهان‌شناسان در آن زمان با استفاده از شبکه‌ رصدخانه‌ پیام‌رسان‌ چندگانه‌ اخترفیزیکی دریافتند که خاستگاه این نوترینو به نام IceCube-170922A با انرژی حدود ۲۹۰ تراالکترون‌ولت، یک نوع کهکشان فعال یا اصطلاحا بلازار به نام TXS 0506+056 است که در فاصله بیش از ۵ میلیارد سال نوری از ما واقع شده است.

این نخستین بار بود که کیهان‌شناسان توانستند یک نوترینوی آشکارسازی‌شده را به یک منبع اخترفیزیکی مرتبط کنند. در واقع این میزان انرژی به قدری زیاد است که امکان ندارد از خود زمین آمده باشد و ممکن است تنها در پدیده‌های کیهانی عظیم، از جمله هسته‌های کهکشانی فعال، تولید شده باشد.

کافی است تصور کنیم که انرژی برخورد ذرات در شتاب‌دهنده عظیم ال‌اچ‌سی در سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (سرن)،  تنها در حدود ۱۴ تراالکترون‌ولت است و لحظه برخورد میان ذرات در آن نیز بسیار بسیار کوتاه است و ممکن است فقط بین چند نانوثانیه یا چند میلی‌ثانیه طول بکشد.

دلیل آن که می‌توان رد نوترینوهای کیهانی را گرفت و به منبع صدور آن رسید این است که این ذرات می‌توانند فاصله بین منبع خود تا زمین را بدون انحراف در میدان‌های مغناطیسی کهکشانی و برون‌کهکشانی طی کنند.

از این رو نوترینوهایی که در آشکارسازهای زمینی ما، از جمله یخ‌های قطبی در رصدخانه آیس‌کیوب، شناسایی می‌شوند، می‌توانند به ما بگویند که از کدام منابع پرتوهای کیهانی می‌آیند و روش‌های شتاب‌گیری آنها چه بوده است.

خاستگاه نوترینوهای پرانرژی غالبا کهکشان‌های دیگری به غیر از کهکشان ما یعنی راه شیری است. اما کیهان‌شناسان بر این باورند که کهکشان خود ما نیز منبعی برای انتشار نوترینوها به شمار می‌رود و زمانی که پرتوهای کیهانی به غبار و گاز برخورد می‌کنند، هم پرتوهای گاما و هم نوترینوهای پرانرژی تولید می‌شوند.
 

نوترینوها از کجا می‌آیند؟

از نظر تاریخی، پیشنهاد وجود نوترینو باز می‌گردد به فیزیکدان مشهور ولفگانگ پاوولی که در ۴ دسامبر سال ۱۹۳۰ وجود آن را پیش‌بینی کرده و نام آن را نیز “نویترون” گذاشته بود. اما درباره تغییر نام آن باید گفت که در واقع این انریکو فرمی، فیزیکدان بلندآوازه بود که نام این ذره را برای پرهیز از اشتباه گرفته شدن آن با نوترون، به نوترینو تغییر داد.

کلاید کووان و فردریک رینز، دانشمندانی که روی اکتشاف این ذره کار می کردند، ۲۶ سال پس از پیش‌بینی وجود نوترینو توسط ولفگانگ پاوولی، در تاریخ ۱۴ ماه ژوئن سال ۱۹۵۶ پیام تلگرامی برای او در زوریخ فرستادند و خبر کشف نوترینو را به او اعلام کردند و نوشتند: «خوشحالیم که به اطلاعتان برسانیم که ما نوترینو را به طور قطعی شناسایی کرده‌ایم.»

کیهان‌شناسان در سال ۲۰۱۷ از کشف یک نوترینو خبر دادند که پس از طی یک سفر حدود ۵ میلیارد ساله، در یخ‌‌های رصدخانه نوترینوی آیس‌کیوب در ایستگاه قطب جنوب آمونسن-اسکات به دام افتاده بود

اینک سال‌ها از آن زمان گذشته است و تعداد نوترینوهایی که همه روزه در رصدخانه آیس‌کیوب شناسایی می‌شوند کم نیست. البته دانشمندان علاقه چندانی به همه این نوترینوها ندارند و اغلب فقط به دنبال نوترینوهای اخترفیزیکی می‌گردند. در واقع به طور متوسط روزانه ۲۷۵ نوترینوی جوی در این رصدخانه شناسایی می‌شود و تعداد نوترینوهای آشکارسازی‌شده سالانه به حدود ۱۰۰ هزار می‌رسد.

آیس‌کیوب در ایستگاه قطب جنوب آمونسن-اسکات، رصدخانه‌ای است که در میان یک میلیارد تن یخ ساخته‌شده و تنها آشکارساز گیگاتنی زمین به شمار می‌رود. وسعت این رصدخانه مرموز و اعجاب‌انگیز یک کیلومتر مربع است و ۵۰۰۰ حسگر در آن تعبیه شده که در تمام مدت در پی شکار نوترینوهاست.

به عبارت دیگر، کیهان‌شناسان در این رصدخانه پیش از هر چیز باید نوترینوهایی را که در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با مولکول‌های موجود در جو زمین تولید می‌شوند، از نوترینوهای با خاستگاه کیهانی جدا کنند.

این کار بی‌نهایت دشوار است و از همین رو فیزیک‌دانان در سال‌های اخیر از فناوری هوش مصنوعی استفاده می‌کنند تا بتوانند داده‌های آیس‌کیوب را با دقت و سرعت بیشتری تجزیه و تحلیل کنند.

کیهان‌شناسان همچنین بسیار مشتاقند که آن دسته از منابع اخترفیزیکی را در گیتی پیدا کنند که به طور همزمان هم امواج گرانشی ساطع می‌کنند و هم نوترینو، و از این رو سال‌هاست که چشم به پدیده‌های آشوبناک عالم از جمله ابرنواخترهای فروپاشی هسته‌ای، فوران‌های پرتوگاما، ادغام ستاره‌های نوترونی و یا پدیده‌هایی نظیر ادغام ستاره‌نوترونی-سیاهچاله دوخته‌اند.