يربط تحليل بيانات مرصد IceCube جزءًا من النيوترينوات الفيزيائية الفلكية بالبلازارات


أرز. 1. جسم العمل في كاشف IceCube هو جليد أنتاركتيكا ، حيث يتم وضع مستشعرات حساسة للضوء.

قائمة المصادر المحتملة للفيزياء الفلكية – أي تلك التي ظهرت خارج النظام الشمسي – النيوترينوات كبيرة جدًا: نوى نشطة من المجرات ذات الخصائص المختلفة (على سبيل المثال ، الكوازارات ، والبلازارات ، والمجرات الراديوية) ، والمجرات ذات التكوين النجمي النشط ، والمجرات العناقيد ، المستعرات الأعظمية ، hypernovae ، اندماج الأقزام البيضاء وأكثر من ذلك بكثير. ومع ذلك ، حتى وقت قريب ، تم تأكيد حالة مصدر النيوترينوات الفيزيائية الفلكية بشكل موثوق فقط بالنسبة للمستعرات الأعظمية. الآن مصحوبة بأشجار البلازارات: أدى التحليل الإحصائي الشامل لعدة سنوات من البيانات من تجربة IceCube إلى استنتاج مفاده أنه يمكنهم أيضًا توليد نيوترينوات عالية الطاقة.

مرصد نيوترينو مكعب ثلج تقع في القطب الجنوبي على أراضي محطة القطب الجنوبي أموندسن – سكوت. تم تشغيل المرصد في عام 2011 وقد أتاح بالفعل الحصول على العديد من النتائج المهمة. تحدثت “العناصر” عن بعضها بالتفصيل: انظر الأخبار أثبت IceCube أخيرًا حقيقة النيوترينوات الفيزيائية الفلكية (“العناصر” ، 2014/05/27) ، تأخذ الفيزياء الفلكية للنيوترينو خطواتها الأولى (“العناصر” ، 11/20/2015) ، أنشأت الملاحظات متعددة القنوات مصدرًا للنيوترينوات عالية الطاقة ، مسجلة بواسطة IceCube (“العناصر” ، 17/07/2018). في نفس الخبر ، تم وصف الجهاز ومبدأ IceCube بالتفصيل ، لذلك هنا سنقتصر على النقاط الرئيسية فقط.

يو نيوترينو مقطع عرضي منتشر صغير جدًا ، لذلك لا تتفاعل هذه الجسيمات عمليًا مع المادة العادية ، ويمكنها ، على سبيل المثال ، أن تطير بسهولة عبر الأرض بأكملها. من حين لآخر ، لا تزال النيوترينوات تتفاعل مع ذرات المادة. تؤدي هذه “الاصطدامات” إلى نشوء جسيمات ثانوية مشحونة إشعاع Cherenkov، والتي يتم التقاطها بواسطة المضاعفات الضوئية للمرصد. من هذه السمات لسلوك النيوترينوات ، يترتب على ذلك ، من ناحية ، أن أجهزة الكشف لدراستها يجب أن تكون كبيرة بقدر الإمكان ، ولكن من ناحية أخرى ، لا يتعين حشوها بقدرة مع عناصر حساسة: حجم العمل ممتلئ بشيء شفاف بدرجة كافية لإشعاع Cherenkov ، ثم يمكن وضع المضاعفات الضوئية بعيدًا. يعد جليد القارة القطبية الجنوبية الذي يبلغ عمره قرونًا مناسبًا تمامًا كوسيط للكاشف (في الواقع ، ومن هنا جاء الاسم: مكعب ثلج تعني “مكعب ثلج” – حجم العمل للتركيب حوالي كيلومتر مكعب).

تتيح المضاعفات الضوئية المرتبة على شكل شعرية تحديد هندسة توهج Cherenkov. بفضل هذا ، يمكن للعلماء تحديد بدقة جيدة من أين جاء الجسيم السلف (بالإضافة إلى بعض المعلمات الأخرى ، مثل طاقة الجسيم). هذا أمر بالغ الأهمية لفصل أحداث النيوترينو عن الآخرين. النقطة المهمة هي أن الجسيمات الأخرى يمكن أن تكون أيضًا مصادر لإشعاع Cherenkov في الجليد: على سبيل المثال ، من الميونات، ولدت الأشعة الكونية – نوى ذرات من أصول كونية مختلفة ، غالبًا ما يكون لها طاقات تصل إلى عدة جول (بالنسبة لأيون واحد ، هذه طاقة عملاقة). لذلك ، يجب أن تكون قادرًا على عزل الإشارة المفيدة عن الخلفية. تعمل الأرض هنا كـ “مرشح”: يمكن فقط للنيوترينوات أن تمر عبرها ، ويمكن تجاهل الإشارة من اتجاهات أخرى (حتى لا تدخل الأحداث غير الضرورية في الإحصائيات مصادفة). اتضح أنه على الرغم من أن IceCube يقع في القطب الجنوبي ، إلا أنه يهدف في الواقع إلى استكشاف السماء الشمالية.

يحاول العلماء الذين يعملون مع البيانات التي تم جمعها على IceCube العثور على مناطق في السماء الشمالية يصل منها المزيد من النيوترينوات. على عكس الأشعة الكونية ، ليس للنيوترينوات شحنة كهربائية ، وبالتالي لا تنحرف في المجالات المغناطيسية بين المجرات والمجرات. هذا يعني أن اتجاه وصول النيوترينوات – إذا حددناها بدقة – يشير مباشرة إلى مصدرها.

يبدو الأمر بسيطًا ، لكن الأمر استغرق ما يقرب من عشر سنوات لتحديد المكان الذي تطير منه النيوترينوات التي اكتشفها IceCube بالفعل. في عام 2013 ، ثبت أن IceCube “ترى” نيوترينوات من أصل فيزيائي فلكي (انظر IceCube أثبت أخيرًا حقيقة النيوترينوات الفيزيائية الفلكية ، “العناصر” ، 2014/05/27). هذا يعني أنه ليس كل النيوترينوات التي تم التقاطها بواسطة المرصد ولدت داخل الشمس أو أثناء مرور الأشعة الكونية عبر الغلاف الجوي. ولكن من أين بالضبط يطيرون؟

تكمن الصعوبة الرئيسية في البحث عن مصدر النيوترينوات الفيزيائية الفلكية في حقيقة أنه من الممكن استعادة اتجاه وصول النيوترينوات فقط مع وجود خطأ كبير في ترتيب درجة واحدة (وهو ضعف الحجم الظاهر للقمر في سماء). الأساليب الإحصائية تأتي للإنقاذ. بعد تحليل كتالوج البيانات المفتوحة IceCube لمدة 7 سنوات (2008-2015) ، يحتوي على أكثر من 700 ألف حدث بطاقات من 1 تفولتتوصل علماء من جامعة فورتسبورغ (ألمانيا) إلى استنتاج مفاده أن مصادر النيوترينوات عالية الطاقة هي بلازار. كانت نتائج هذا التحليل مؤخرًا نشرت في المجلة رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. توقع المؤلفون إحداثيات كل من النيوترينوات المسجلة على خريطة السماء (الشكل 2). بالنظر إلى دقة تحديد اتجاه كل حدث ، قام العلماء بحساب خاصية إحصائية لكل نقطة في السماء ، تتوافق مع احتمال احتوائها على مصدر نيوترينو. تتوافق الحدود القصوى المحلية لهذه الخاصية الإحصائية (“النقاط” على الخريطة) مع مصادر النيوترينو.


أرز. 2. خريطة السماء في الإحداثيات الاستوائية

فكرة أن البلازارات يمكن أن تكون مصادر للنيوترينوات ، بشكل عام ، واضحة تمامًا وقد تم التعبير عنها عدة مرات من قبل (انظر الأخبار المذكورة أعلاه ، بالإضافة إلى مقالة أين ولدت النيوترينوات؟). كانت المشكلة مجرد دليل موثوق على أن النيوترينوات الفيزيائية الفلكية تأتي إلينا بالفعل من البلازارات: فالدلالة الإحصائية للعمل السابق لم ترق إلى المعايير الصارمة لفيزياء الطاقة العالية. ولكن الآن كل شيء على ما يرام مع هذا – المنشور الجديد يصف “اكتشاف” كامل مع أهمية أكثر من 5σ.

البلازارات هي فئة فرعية نوى المجرة النشطة (ANG) ، أي المجرات التي تشع مناطقها المركزية بشكل ساطع بشكل غير عادي على مدى تردد واسع. قلب المجرة هو ثقب أسود هائل. في النوى المجرية النشطة ، يمتص الثقب الأسود المادة بفاعلية ويتشكل حول نفسه قرص التراكم. في بعض الحالات ، يكون التراكم مصحوبًا بظهور طائرتين – حزم إشعاع قوية ضيقة التوجيه ، تضرب من قطبي الثقب الأسود. إذا كانت إحدى النفاثات موجهة نحو الأرض ، فإن النوى المجرية النشطة يسمى بلازار.

أرز. 3. النواة النشطة لمجرة Cygnus A.

كيف بالضبط تظهر النفاثات النسبية بالقرب من الثقب الأسود؟ التفاصيل لا تزال غير واضحة. أكثر النماذج الواعدة هي النماذج التي تتشكل فيها النفاثات من خلال مراعاة التأثيرات المجمعة للمجالات المغناطيسية ودوران الثقب الأسود: إما أن تولد النفاثة نتيجة لتسارع الطرد المركزي المغناطيسي للمادة من سطح قرص التراكم ، أو من الغلاف المغناطيسي للثقب الأسود بسبب تحويل طاقة دوران الثقب الأسود. تخلق النفاثات إشعاع السنكروترون ، والذي يمكن من خلاله استنتاج أن الجسيمات المشحونة تتسارع فيها. من بين هذه الجسيمات بي-ميزونات مشحونة ، والتي تتحلل بسرعة إلى ميونات ونيوترينوات. هذه النيوترينوات هي التي لوحظت في IceCube.

أي أن رصد النيوترينوات من البلازارات هو مؤشر مباشر على أن نفاثات الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي مسرعات جسيمات كونية. ما مدى فعاليتهم؟ إن ولادة نيوترينو مع طاقة \ (E \) ممكن كمنتج ثانوي لتسارع جسيم مشحون إلى طاقة تقارب \ (20E / Z \) ، حيث \ (Z \) هي شحنة الجسيم في وحدات شحنة الإلكترون (هذا الاستنتاج يتبع من حركية تكوين النيوترينو ، مزيد من التفاصيل انظر F. Halzen، 2013. فوتونات بيونيك ونيوترينوات من مسرعات الأشعة الكونية). بالإضافة إلى ذلك ، لا تنس أن طاقة النيوترينو تسقط أثناء الرحلة من المصدر إلى المراقب بسبب تمدد الكون (بسبب الانزياح الأحمر، انظر كيف تم اكتشاف توسع الكون). بمعنى ، يجب أيضًا مضاعفة طاقة النيوترينو المرصودة بـ \ (1 + z \) حيث \ (z \) هو الانزياح الأحمر للبلازار (بالنسبة إلى البلازارات المدروسة \ (z \) لها قيمة من 0.06 إلى 3.7). هذا يعني أنه بالنسبة للنيوترينوات المرصودة في نطاق الطاقة من 100 تيرا إلكترون فولت (1 تيرا إلكترون فولت = 1012 eV) حتى 10 PeV (1 بيتا إلكترون فولت = 1015 eV) يمكن للمرء أن يتوقع تسارع البروتونات على الأقل إلى طاقات تصل إلى عدة مئات من PeV.


أرز. 4. طيف الأشعة الكونية

ومن المثير للاهتمام أنه في بعض التقارير الإعلامية حول هذا العمل ، ظهرت عناوين الصحف بروح “نعلم أخيرًا من أين تأتي الأشعة الكونية الأكثر نشاطًا” (هنا واحد من أمثلة). لكن هذا يعطي القارئ صورة خاطئة بشكل أساسي عما يحدث. الاستنتاج بشأن تسارع الأشعة الكونية في نوى المجرات النشطة هو نتيجة فقط لحقيقة أن النيوترينوات الفيزيائية الفلكية تولد فيها. وما زلنا لا نعرف ما هي الطاقة القصوى للأشعة الكونية التي يمكن تسريعها في النوى المجرية النشطة. تمتلك الأشعة الكونية الأكثر نشاطًا (الأشعة الكونية عالية الطاقة ، انظر عين الذبابة والأشعة الكونية) طاقة تصل إلى مائة إلكترون فولت (10)20 eV). هذا أكبر بشكل ملحوظ من الطاقة التي يمكن الحصول عليها نظريًا بناءً على طاقة النيوترينوات المرصودة (نتذكر أن هذا يصل إلى 1017 eV). علاوة على ذلك ، فإن الحقول المغناطيسية في المجرة وخارج المجرة تنحني بشكل كبير مسارات الأشعة الكونية ، بحيث لا يشير اتجاه وصولها ، حتى لو كانت من البلازارات ، إلى مصدرها.

يقع أقرب Blazar من القائمة المستخدمة في المقالة قيد المناقشة على مسافة حوالي 280 Mpc منا. هذا هو عدة مرات أكثر مما يسمى ب حد Greisen-Zatsepina-Kuzmina (GZK) ، الذي يحدد متوسط ​​طول رحلة البروتون عبر خلفية فوتونات بقايا ويبلغ حوالي 50 مليون قطعة. وبالتالي ، على الرغم من وجود رغبة في إعلان أن النوى المجرية النشطة هي مسرعات الأشعة الكونية الأكثر نشاطًا ، إلا أنه لا توجد بيانات كافية لهذا حتى الآن. نعم ، نحن نعلم الآن أن النوى المجرية النشطة تسرع الأشعة الكونية لأننا نرى نيوترينوات قادمة من البلازارات. لكن من المستحيل ربط الأشعة الكونية بالبلازارات: فالأشجار المدروسة بعيدة جدًا (ويوجد عدد قليل جدًا منها في نطاق 50 Mpc). حتى لو كان صحيحًا بالفعل أن النوى المجرية النشطة هي أقوى مسرعات الجسيمات في الكون ، يجب على المرء أن يتذكر أن الحقول المغناطيسية تشوه بشكل كبير اتجاه وصول الأشعة الكونية ، بحيث لا يمكن عمليًا استخلاص أي استنتاجات حول مصادرها حتى الآن.

في الختام ، اسمحوا لي أن أذكركم أنه قبل خمس سنوات ، كان فريق مرصد بيير أوجيه (مرصد بيير أوجيه) أعلن اكتشافًا رائعًا: الأشعة الكونية ذات الطاقات فوق “الكاحل” لا تأتي حقًا من مجرتنا (تم اكتشاف عدم التجانس في اتجاهات وصول الأشعة الكونية فائقة الطاقة ، “العناصر” ، 21/09/2017) . بعد مرور عام ، أظهر تحليل مفصل أن اتجاهات وصول الأشعة الكونية فائقة الطاقة تتطابق مع الاتجاهات إما إلى النوى المجرية النشطة القريبة ، أو إلى المجرات ذات التكوين النجمي النشط ، وتم تأكيد الفرضية الثانية بدلالة إحصائية أعلى قليلاً ( أ.آب وآخرون ، 2018. إشارة إلى تباين الخواص في اتجاهات وصول الأشعة الكونية فائقة الطاقة من خلال المقارنة بنمط التدفق لمصادر أشعة جاما خارج المجرة). لسوء الحظ ، لا يمكن قول أي شيء آخر حتى الآن: أهم مصدر خارج المجرة للأشعة الكونية هو مجموعة من المجرات Centaurus A / M 83 / NGC 4945. في هذه المجموعة القريبة نسبيًا من المجرات ، توجد مصادر محتملة لجميع الفئات ، ولا يمكن تحديد ما هو.

ومع ذلك ، وبفضل العمل قيد المناقشة ، قمنا بطي صفحة مهمة أخرى في دراسة الكون وتلقينا أداة لدراسة البلازارات البعيدة على شكل نيوترينوات. لاحظ المؤلفون أيضًا أنه ليست كل البلازارات هي مصادر نيوترينو. ستساعد هذه الحقيقة في فهم نماذج تكوين نفاثات نفاثات نفاثة نفاثة نسبية. بالإضافة إلى ذلك ، ليست كل النقاط على خريطة النيوترينو للسماء تتزامن مع البلازارات: أصل 9 من أصل 19 بقعة لا يزال غير واضح ، ولم يكتشف العلماء بعد المصادر المرتبطة بها. قد تكون نوى لأنواع أخرى من المجرات ، أو بعض مسرعات الفضاء الأخرى (على سبيل المثال ، مجموعات المجرات والمجرات ذات التكوين النجمي النشط). بالنظر إلى أن النيوترينوات والأشعة الكونية مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ، فمن الممكن أن بعض هذه الأجسام يمكن أن تصدر أيضًا أشعة كونية.

مصدر: سارة بوسون ، أندريا تراماسيري ، ليونارد فايفر ، لينز أوزوالد ، رانيير دي مينيزيس ، أليساندرا أزوليني ، وماركو أجيلو. بدء رحلة عبر الكون: اكتشاف مصانع النيوترينو خارج المجرة // رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. 2022. DOI: 10.3847/2041-8213/ac7d5b.

ميخائيل ستولبوفسكي



Publicar un comentario

All comments are review by moderator. Please don't place any spam comment here.

Artículo Anterior Artículo Siguiente