كاشف النيوترينو IceCube في القارة القطبية الجنوبية ، بقع أول نيوترينوات عالية الطاقة تنبعث في مجرتنا درب التبانة

اكتشف مرصد نيوترينو القطب الجنوبي IceCube – أكبر وأغرب تلسكوب في العالم – أول انبعاثات نيوترينو من داخل مجرة ​​درب التبانة ، وهو إنجاز سيشكل كيف يرى علماء الفلك مجرتنا.

النيوترينوات هي جزيئات صغيرة محايدة كهربائيًا تمر عبر معظم المواد دون أن يتم اكتشافها. يتم إنشاؤها في بيئات قاسية مثل تلك المحيطة بالثقوب السوداء الضخمة ، وتنتقل دون عوائق عبر الفضاء والمادة في مسار مستقيم.

نظرًا لأن الثقوب السوداء والنجوم المتفجرة بعيدة جدًا عن زيارتها ، وبعيدة جدًا عن التكاثر في المختبر ، يعتمد العلماء على الرسل الكوني – مثل الضوء المرئي من النجوم – لدراستها. النيوترينوات هي نوع آخر من المرسلات الكونية ، لكنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بأعيننا ، أو حتى معظم أنواع التلسكوبات.

وهنا يأتي دور IceCube. المرصد ، ومقره في أنتاركتيكا ، يتكون من مليار طن من الجليد مزود بشبكة من أجهزة الاستشعار المجمدة. تضيء المستشعرات عندما تكتشف مرور النيوترينو ، وبناءً على ترتيب المستشعرات ، يمكن للباحثين تحديد طاقة واتجاه النيوترينو الذي أنشأ الفلاش.

من هناك ، يمكن للباحثين استخدام الطاقة والاتجاه لمحاولة معرفة من أين جاء النيوترينو في الكون.

بصفتي المدير المؤقت لمركز ويسكونسن آيس كيوب للفيزياء الفلكية ، أضمن أن لدينا الأشخاص والموارد اللازمة لمساعدة الباحثين على النجاح في استخدام مرصد IceCube.

الكشف عن النيوترينوات باستخدام الثلج

يمكن أن يمثل تحديد ومضات الضوء من تفاعلات النيوترينو على مستشعرات IceCube تحديًا. يسجل IceCube حوالي 2600 حدث كل ثانية ، على الرغم من أن معظم هذه الأحداث تأتي من جسيمات عالية الطاقة تسمى الأشعة الكونية ، والتي تنتج أيضًا أمطارًا ثابتة من النيوترينوات عند اصطدامها بالغلاف الجوي للأرض. فقط بضع مئات من مئات الآلاف من النيوترينوات التي تُرى كل عام تأتي من مصادر مجرية أو خارج المجرة وليس من الأشعة الكونية.

إن العثور على النيوترينوات من الفضاء الخارجي ، بدلاً من تلك الموجودة في الأشعة الكونية ، يشبه محاولة رؤية ميزة باهتة في صورة مغطاة بطبقات عديدة من الطلاء – عليك أن تكون حريصًا على عدم إزالة ما تحاول الكشف عنه.

من المثير للدهشة أن أول مصدرين للنيوترينو حددهما باحثو IceCube سابقًا جاءا من خارج مجرة ​​درب التبانة – أحدهما كان كائنًا مجريًا ساطعًا للغاية يسمى Blazar. كانت هذه النيوترينوات بعيدة جدًا ، لكنها كانت أعلى طاقة من أي مصدر من داخل مجرة ​​درب التبانة.

يتطلب العثور على نيوترينوات درب التبانة الخافتة بعض العمل الذكي من قبل متعاونين IceCube في جامعة دريكسيل وجامعة دورتموند. نُشر عملهم على اكتشاف IceCube لأول نيوترينوات درب التبانة في Science في 29 يونيو 2023.

يمكن للعلماء استخدام بعض الحيل لتصفية النيوترينوات من الفضاء الخارجي من نيوترينوات الأشعة الكونية وغيرها من ضوضاء الأشعة الكونية. يمكننا الفرز حسب الطاقة ، مع احتمال أن تكون النيوترينوات عالية الطاقة من الفضاء الخارجي. يمكن للباحثين أيضًا البحث عن مجموعات من النيوترينوات ، لأن النيوترينوات من خارج مجرتنا تميل إلى التجمع معًا في مكان واحد. أخيرًا ، يمكن للباحثين البحث عن نيوترينوات من أحداث فيزيائية فلكية عابرة مثل الثقوب السوداء التي تم اكتشافها بالفعل بواسطة تلسكوبات أخرى.

في عام 2013 ، نشر IceCube أول دليل على النيوترينوات الفيزيائية الفلكية التي تم تحديدها بناءً على طاقتها. كانت هذه نيوترينوات فردية معزولة – لذلك لم يستطع الباحثون تحديد مصدرها بالضبط.

البحث عن مصدر النيوترينو

على الرغم من أن العلماء اكتشفوا أن هذه النيوترينوات المكتشفة مؤخرًا جاءت من داخل مجرتنا ، إلا أنهم ليس لديهم خريطة واضحة كافية لمجرة درب التبانة لتحديد الموقع الفردي الذي نشأت فيه النيوترينوات المكتشفة حديثًا. الخطوة التالية هي تحسين التحليل لتحديد الموقع المحدد لانبعاث النيوترينو.

هناك عدة طرق لتحسين البحث عن المصادر. أولاً ، كلما طالت مدة بحث العلماء وزادت البيانات التي يجمعونها ، زادت احتمالية تحديد مصدر النيوترينو – لكن التحسين بعامل 10 يتطلب بيانات أكثر 100 مرة. لذا فإن كونك ذكيًا له عائد أفضل من التحلي بالصبر.

فيما يلي بعض الطرق لتكون أكثر ذكاءً. أولاً ، يمكن للباحثين تحسين اختيار الحدث عن طريق اختيار الأحداث الكونية التي يجب التركيز عليها ، بحيث يكون هناك المزيد من النيوترينوهات المرشحة المحتملة في العينة. يمكنهم أيضًا إعادة بناء مسار النيوترينوات بشكل أفضل – وهذا يشبه إعادة زيارة المتحف بنظارات جديدة لرؤية أكثر وضوحًا. أخيرًا ، يمكنهم محاولة إيجاد طريقة لتقليل الخلفية ، نوعًا ما مثل البحث عن منطقة تكون فيها الصورة مغطاة بطبقات أقل من الطلاء.

لقد تطلب الأمر استخدام كل هذه الحيل لرؤية نيوترينوات درب التبانة الباهتة. وجد فريقنا طرقًا لتحسين حجم العينة ، واستخدمنا التعلم الآلي لتحسين إعادة بناء الحدث. قلل هذا من الخلفية بدرجة كافية لتتبع نيوترينواتنا مرة أخرى إلى مجرة ​​درب التبانة.

بالنسبة لمعظم أشكال انبعاث الضوء الكوني التي ندرسها ، فإن الضوء من مصادر داخل مجرة ​​درب التبانة يضيء بشكل أكثر سطوعًا لأنها الأقرب. لكن بالنسبة للنيوترينوات ، هذا ليس هو الحال – المجرة NGC1068 ، التي تبعد عشرات الملايين من السنين الضوئية ، تصدر نيوترينوات عالية الطاقة أكثر من مجرة ​​درب التبانة. يخبرنا هذا أنه لا تمتلك جميع المجرات نفس القدرة على إنتاج جسيمات عالية الطاقة ، ولكن أيضًا نحتاج إلى إيجاد ودراسة المزيد من المجرات التي تنبعث منها النيوترينوات لفهم المراوغات الكونية لمجرة درب التبانة.

تخطط IceCube لترقية عالية الطاقة من شأنها أن تجعل مصفوفة الكاشف أكبر بحوالي ثمانية أضعاف. بمجرد انتهاء الترقية في 2030 ، سيتمكن العلماء من مواصلة بحثهم عن النيوترينوات بتقنية محسنة.