تم اكتشاف النيوترينونات ذات الطاقة العالية المنبعثة من المجرات اللامعة في الطرف الآخر من الكون لأول مرة

تمثيل فني لكيفية تسريع blazar البروتونات التي تولد البيونات ، والتي بدورها تولد النيوترينو وأشعة غاما. دائمًا ما تكون النيوترينوات نتيجة تفاعلات هادرون. يمكن أن تظهر أشعة جاما في كل من التفاعلات الهادرونية والكهرومغناطيسية.

من أعظم ألغاز العلم تعريف ليس فقط الأشياء الموجودة في الكون ، ولكن أيضًا مصادر الإشارات التي نصلحها هنا على الأرض. لأكثر من مائة عام ، علمنا أن الأشعة الكونية تحرث الكون: جزيئات عالية الطاقة مصادرها خارج حدود مجرتنا. وعلى الرغم من أن بعض مصادر هذه الجسيمات قد تم تحديدها بالفعل ، إلا أن معظمها ، بما في ذلك تلك الأكثر نشاطًا ، ظل غامضًا.

وهكذا ، تغير هذا الوضع. اكتشف تعاون IceCube في 22 سبتمبر 2017 نيوتريونات فائقة الطاقة تصل إلى القطب الجنوبي وتمكنت من تحديد مصدرها. عندما تم استهداف العديد من التلسكوبات التي تعمل في نطاق جاما في نفس النقطة ، لم يروا الإشارة فحسب ، بل تعرفوا أيضًا على البليزر الذي كان يومض في تلك اللحظة فقط . أخيرًا ، اكتشفت البشرية مصدرًا واحدًا على الأقل يخلق هذه الجسيمات الكونية فائقة الطاقة.


عندما تلتهم الثقوب السوداء المادة ، فإنها تخلق قرص تنامي ونفاثات تنبثق من كلا القطبين ، متعامدة معها. عندما يشير إلينا تيار من ثقب أسود فائق الضخامة ، نسميه blazar ، وفي حالة معينة كان كائنًا من BL Lizard. الآن يعتبرون المصدر الرئيسي للأشعة الكونية والنيوتريونات عالية الطاقة.

الكون ، أينما نظرنا ، مليء بالأشياء التي يمكن ملاحظتها والتي يمكنك التفاعل معها. المسألة تنهار وتشكل المجرات والنجوم والكواكب وحتى الناس. يتدفق الإشعاع عبر الكون ، ويغطي الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله. وفي كل سنتيمتر مكعب من الفضاء ، يمكنك العثور على مئات الجسيمات الشبحية ذات الكتلة الصغيرة ، والمعروفة باسم النيوترينوات.

على الأقل ، يمكن العثور عليها إذا تفاعلوا في كثير من الأحيان مع المواد الطبيعية ، والتي نعرف كيف نتعامل معها. ولكن بدلاً من ذلك ، يمكن أن تمر النيوترينو عبر جدار من الرصاص بسماكة خفيفة ، ولديها فرصة الاصطدام بأي جسيم يساوي 50/50. بعد بضعة عقود من المفترض وجودها في عام 1930 ، لم نتمكن من العثور عليها.


مفاعل نووي RA-6 تجريبي ، يظهر إشعاع Cherenkov المميز الناجم عن تحرك الجسيمات بشكل أسرع من الضوء في الماء. تم اكتشاف النيوترينوات (أو ، بشكل أدق ، مضادات النيوترينو) ، فرضية وجودها التي طرحها باولي لأول مرة في عام 1930 ، في مفاعل نووي مماثل في عام 1956.

في عام 1956 ، اكتشفناها أولاً عن طريق وضع أجهزة الكشف بجوار المفاعلات النووية ، على بعد أمتار قليلة من مكان ظهورها. في الستينيات ، قمنا ببناء كاشفات كبيرة بما يكفي - تحت الأرض ، محمية من الجزيئات الملوثة الأخرى - للعثور على النيوترينوات التي تظهر في الشمس ، وتلك التي تتولد عن اصطدام الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي.

ثم في عام 1987 ، سمحت لنا فقط مفاجأة سارة على شكل انفجار مستعر أعظم بالقرب منا باكتشاف النيوترينوات التي تحلق من هناك. التجارب التي عملت لغرض مختلف تمامًا ، اكتشفت النيوترينوات من SN 1987A ، وأدخلت عصر علم الفلك للعديد من الرسل. بقدر ما يمكننا أن نقول ، طارت النيوترينوات عبر الكون بطاقات لا يمكن تمييزها عن سرعة الضوء.


بقايا مستعر أعظم 1987a يقع في سحابة Magellanic الكبيرة 165000 سنة ضوئية منا. إن حقيقة وصول النيوترينو قبل بضع ساعات من الإشارة الأولى أخبرتنا بالمزيد من الوقت الذي يستغرقه الضوء في الانتشار عبر طبقات النجم أكثر من سرعة حركة النيوترينو ، التي لا يمكن تمييزها عن سرعة الضوء. على ما يبدو ، تتحرك النيوترينوات والضوء والجاذبية بنفس السرعة.

لمدة 30 عامًا ، كانت النيوترينوات من هذا المستعر الأعظم هي النيوترينوات الوحيدة المؤكدة التي تأتي من خارج النظام الشمسي ، ناهيك عن حدود المجرة. لكن هذا لا يعني أننا لم نقبل النيوترينوات من مصادر أبعد. هذا يعني ببساطة أنه لا يمكننا مقارنتها بشكل موثوق مع أي مصدر معروف في السماء. على الرغم من أن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة ، فإن احتمال حدوث تفاعل يزداد مع زيادة الطاقة.

وهنا يأتي دور مرصد IceCube .


تم تصميم مرصد IceCube ، وهو أول مرصد نيوترينو من نوعه ، لمراقبة هذه الجسيمات المراوغة ذات الطاقة العالية تحت جليد القطب الجنوبي.

تحت عمق الجليد في القطب الجنوبي ، يوجد داخل IceCube كيلومتر مكعب من المادة الصلبة التي تساعد في العثور على هذه النيوترينونات التي لا تكتسب كتلة تقريبًا. عندما تمر النيوترينوات عبر الأرض ، هناك دائمًا فرصة لتفاعلها مع الجسيم هناك. سيؤدي التفاعل إلى ظهور دش من الجسيمات ، والتي يجب أن تترك آثارًا لا لبس فيها على أجهزة الكشف.


توضيح لكيفية تفاعل النيوترينو مع جزيء الجليد بإصدار جسيم ثانوي - الميون - يتحرك في الجليد بسرعة نسبية ، ويترك أثرًا للضوء الأزرق

على مدى ست سنوات من تشغيل IceCube ، اكتشفت الكاشفات أكثر من 80 نيوترينو فضاء عالي الطاقة مع طاقات تزيد عن 100 تي في: وهذا أعلى بعشر مرات من أعلى قيم الطاقة التي حققتها أي جزيئات في مصادم هادرون الكبير. حتى أن بعضها اقترب من مقياس PEV ، ووصل إلى طاقات أكبر ألف مرة من تلك اللازمة لخلق حتى أثقل الجسيمات الأساسية المعروفة اليوم.



على الرغم من كل هذه النيوترينوات من الفضاء الخارجي التي وصلت إلى الأرض ، حتى الآن لم نتمكن من مقارنتها بمصدر في السماء ، والذي سنعرفه بالتأكيد. إن اكتشاف هذه النيوترينوات يعد إنجازًا رائعًا ، لكن لا يمكننا فهم العملية التي تولدها ، ما لم نتمكن من مقارنتها في كائن حقيقي يمكن ملاحظته في الكون - على سبيل المثال ، هدف يمكننا أيضًا ملاحظته في الإشعاع الكهرومغناطيسي.


عندما يتفاعل النيوترينو مع جزيئات الجليد النقي في القطب الجنوبي ، فإنه يولد جزيئات ثانوية تترك دربًا من الضوء الأزرق أثناء مروره عبر IceCube

لم يواجه المنظرون مشاكل في طرح الأفكار ، على سبيل المثال:

• hypernovae ، ألمع أنواع السوبرنوفا ،
• ومضات أشعة غاما
• مشاعل ثقب أسود
• أشباه النجوم ، أكبر الثقوب السوداء النشطة في الكون.

ولكن لحل هذه المشكلة ، كانت هناك حاجة إلى أدلة.


مثال على نيوترينو عالي الطاقة تم اكتشافه على IceCube: اصطدم نيوترينو 4.45 PeV بكاشف في عام 2014.

قام IceCube بتتبع وإصدار التقارير بعد كل نيوترينو فائق الطاقة اكتشفوه. في 22 سبتمبر 2017 ، لوحظت ظاهرة أخرى من هذا القبيل: IceCube-170922A. أعلن العلماء في التقرير ما يلي:

في 22 سبتمبر 2017 ، اكتشف IceCube حدثًا عالي الطاقة للغاية مع احتمال كبير لوجود مصدر للفيزياء الفلكية. تم الكشف عن هذا الحدث من قبل الطاقة العالية للغاية (EHE). كان IceCube في وضع التشغيل العادي. عادة ما ترتبط أحداث EHE بذروة تفاعل تقع خارج الكاشف ، حيث يتم إنشاء الميون الذي يتجاوز حجم الكاشف بمستوى عالٍ من [الطاقة].


تسبب الأشعة الكونية زخات من الجسيمات في الغلاف الجوي ، وتتصادم مع البروتونات وذرات الغلاف الجوي ، وتنبعث الضوء بسبب إشعاع Cherenkov. من خلال مراقبة الأشعة الكونية في السماء والنيوتريونات التي تصل إلى الأرض ، نستخدم المصادفات للكشف عن مصادر كلتا الظاهرتين.

هذا المشروع مثير للاهتمام ليس فقط لجزيئات النيوترينو ، ولكن أيضًا للأشعة الكونية بشكل عام. على الرغم من أننا لاحظنا ملايين الأشعة الكونية عالية الطاقة على مدى المائة عام الماضية ، إلا أننا لا نعرف مصادر معظمها. وهذا ينطبق على البروتونات والأنوية والنيوترينوات ، التي تم إنشاؤها في مصدرها وتلك الناتجة عن الاستحمام في الغلاف الجوي.

لهذا كان من المثير للاهتمام أنه بالإضافة إلى التحذير من هذه الظاهرة ، أصدر IceCube أيضًا الإحداثيات السماوية حيث من المفترض أن تأتي هذه النيوترينوات من:

• RA: 77.43 درجة (-0.80 درجة / + 1.30 درجة 90٪ احتواء PSF) J2000
• ديسمبر: 5.72 درجة (-0.40 درجة / + 0.70 درجة 90٪ احتواء PSF) J2000

وقادوا مراقبين يحاولون إجراء ملاحظات لاحقة في الطيف الكهرومغناطيسي على هذا الجسم.


صورة فنية للنواة النشطة للمجرة. يرسل ثقب أسود فائق الكتلة في وسط قرص التنامي نفاثات ضيقة من المواد عالية الطاقة إلى الفضاء المتعامد مع القرص. أصبح بليزار ، الذي يبعد عنا 4 مليار سنة ضوئية ، مصدر هذه الأشعة والنيوترينات الكونية.

اتضح أنه بليزر: ثقب أسود فائق الكتلة في حالة نشطة ، يتغذى على المادة ويسرعها إلى سرعات لا تصدق. Blazars هي نفس الكوازارات ، ولكن مع اختلاف واحد مهم. يمكن توجيه الكوازارات في أي اتجاه ، وفي البازار يتم توجيه إحدى الطائرات دائمًا مباشرة إلى الأرض. يطلق عليهم اسم السترات من كلمة الحريق ، والتي تعني "التألق ، والحرق الساطع" - يلمعون مباشرة في اتجاهنا.

يُعرف هذا البليزر الخاص باسم TXS 0506 + 056 ، وكشفت العديد من المراصد ، بما في ذلك مرصد Fermi التابع لناسا والتلسكوب الأرضي MAGIC في جزر الكناري ، على الفور أشعة غاما المنبعثة منه.


أجرى حوالي 20 مرصدًا على الأرض وفي الفضاء ملاحظات بعد آثار الكشف عن النيوترينو باستخدام الموقع الذي قدمه كاشف IceCube في سبتمبر الماضي. وقد جعل هذا من الممكن تحديد ما يعتبره العلماء مصدرًا للنيوتريونات عالية الطاقة ، وبالتالي الأشعة الكونية. بالإضافة إلى النيوتريونات ، تم إجراء مشاهدات على الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله في نطاقات أشعة غاما والأشعة السينية والبصرية والراديوية.

بالإضافة إلى ذلك ، عند وصول النيوترينو ، اتضح أن blazar في حالة إشعاعية مقابلة للإنبعاث الأكثر نشاطًا للجسيمات لمثل هذه الأشياء. نظرًا لأن قذف الجسيمات له أعلى مستوياته وانخفاضاته ، قام باحثو IceCube بتمشيط سجلات عشر سنوات من الملاحظات التي سبقت اندلاع 22 سبتمبر 2017 ، بحثًا عن أي أحداث تتعلق بالنيوترينوات يمكن أن تأتي من TXS 0506 + 056 .

اكتشفوا على الفور أن النيوترينوات جاءت من هذا الجسم في عدة ومضات ، والتي امتدت لسنوات عديدة. من خلال الجمع بين مراقبة النيوترينوات والملاحظات في النطاق الكهرومغناطيسي ، تمكنا من استنتاج موثوق به أن النيوترينوات عالية الطاقة تأتي إلينا من blazars ، وأن لدينا القدرة على اكتشافها حتى من هذه المسافات الشاسعة. TXS 0506 + 056 تبعد عنا 4 مليار سنة ضوئية .


Blazar TXS 0506 + 056 هو المصدر الأول المؤكد للنيوترينو والأشعة الكونية عالية الطاقة. تُظهر الصورة موقع البليزر الموجود في السماء على الكتف الأيسر لكوكبة أوريون.

يمكن استخلاص كمية هائلة من المعلومات من ملاحظة واحدة لحدث مع العديد من "الرسل":

• لقد ثبت أن الكتل الشمسية هي على الأقل أحد مصادر الأشعة الكونية.
• لظهور النيوترينوات ، هناك حاجة إلى الفاوانيا المتحللة ، والتي تظهر بسبب البروتونات المتحركة بسرعة.
• أول دليل مقنع على تسارع البروتونات بالثقوب السوداء.
• TXS 0506 + 056 هو واحد من ألمع مصادر الكون.
• تشير أشعة غاما المصاحبة إلى أن النيوترينوات الكونية والأشعة الكونية ، على الأقل من وقت لآخر ، قد يكون لها مصدر مشترك.

يمكن للأشعة الكونية المنبعثة من مصادر الفيزياء الفلكية ذات الطاقات العالية أن تصل إلى سطح الأرض. عندما يصطدم شعاع كوني بجزيء من الغلاف الجوي للأرض ، فإنه يولد دشًا من الجسيمات ، يمكننا اكتشافها باستخدام صفائف من أجهزة الاستشعار الأرضية. أخيرا ، كشفنا عن مصدرهم الرئيسي.

وفقًا لفرانسيس هالزين ، رئيس الأبحاث في مرصد IceCube للنيوترينو:

ومن المثير للاهتمام ، أن الرأي كان منتشرًا على نطاق واسع في المجتمع الفيزيائي الفلكي ، حيث لا يمكن اعتبار الكتل الشمسية مصدرًا للأشعة الكونية - وهنا ... القدرة على بناء المقاريب حول العالم وإجراء الاكتشافات في العديد من الأطوال الموجية مع كاشف النيوترينو مثل IceCube يمثل علامة فارقة جديدة في ما يسميه العلماء "علم الفلك متعدد الرسائل".

لقد وصل عصر علم الفلك للعديد من الرسل رسميًا ، والآن لدينا ثلاث طرق مستقلة ومتكاملة تمامًا للنظر إلى السماء: استخدام الضوء والنيوترينو وموجات الجاذبية. علمنا أن الكتل الشمسية ، التي كانت تعتبر في السابق مرشحة غير محتملة لتوليد النيوترينوات عالية الطاقة والأشعة الكونية ، تولد كليهما.


إن فكرة الفنان عن الكوازار النائية 3C 279. تعتبر الطائرات المنبعثة من كلا القطبين ظاهرة شائعة ، ولكن من النادر جدًا أن تشير مثل هذه الطائرة إلينا مباشرة. عندما يحدث هذا ، نحصل على blazar - كما هو مؤكد الآن ، مصدر للأشعة الكونية والنيوتريونات عالية الطاقة التي لاحظناها لسنوات عديدة.

إلى جانب هذا الاكتشاف ، تم إطلاق مجال علمي جديد رسميًا ، وهو علم الفلك من النيوترينوات عالية الطاقة. لم تعد النيوترينوات ناتجًا ثانويًا للتفاعلات الأخرى أو عجب الفضاء الذي بالكاد يمتد خارج النظام الشمسي. الآن يمكننا استخدامها كمسبار أساسي للكون وقوانين الفيزياء نفسها. كان أحد الأهداف الرئيسية لبناء IceCube هو تحديد مصادر النيوترينوات الفضائية عالية الطاقة. مع التأكيد على blazar TXS 0506 + 056 كمصدر لكل من هذه النيوترينوات والأشعة الكونية ، تم تحقيق حلم كوني واحد للكثير.