ساعد مرصد عملاق مدفون في جليد أنتاركتيكا العلماء على تتبع أثره تسمى الجسيمات المراوغة بالنيوترينوات بالعودة إلى أصولهم في قلب مجرة قريبة – مما يوفر طريقة جديدة لدراسة ثقب أسود هائل محجوب عن الأنظار.
وفق نشرت دراسة جديدة الخميس في مجلة Science ، تتسارع النيوترينوات نحو الأرض من مركز مجرة حلزونية الشكل تُعرف باسم Messier 77 ، والتي تبعد حوالي 47 مليون سنة ضوئية عن الأرض. هناك ، تحيط منطقة كثيفة المادة والإشعاع بثقب أسود يبلغ كتلته ملايين المرات مثل شمسنا.
يقع القلب السماوي لـ Messier 77 بطريقة تجعل الغبار والغاز الذي يدور حول الثقب الأسود يحجب الجسم عند رؤيته من الأرض باستخدام طرق نموذجية مثل التلسكوبات التي تعتمد على الضوء البصري.
قال إجناسيو تابوادا ، أستاذ الفيزياء في معهد جورجيا للتكنولوجيا: “نرى المجرة جانبًا قليلاً ، ولأننا ننظر إليها جانبًا ، فإن الثقب الأسود يختبئ خلف المواد التي تدور بالقرب منها”. والمتحدث باسم التعاون الدولي الذي أجرى البحث.
لكن النيوترينوات – الجسيمات الأكثر وفرة وطاقة في الكون –تمر عبر هذا الغاز والغبار غير متأثر لأنها نادرًا ما تتفاعل مع أي شيء ، بما في ذلك المجالات المغناطيسية أو المادة أو الجاذبية. قال الباحثون إن هذا الجانب الشبحي يوفر للعلماء وسيلة غير مسبوقة لسبر العمليات التي تحدث حول الثقب الأسود المخفي سابقًا ، بما في ذلك كيفية تسريع الغازات الفائقة ، المشحونة والمادة في المنطقة المجاورة.
“النيوترينوات هي طريقة مختلفة للنظر إلى الكون. وفي كل مرة تنظر فيها إلى الكون بطريقة جديدة ، تتعلم شيئًا لم تكن لتتعلمه بالطرق القديمة “، قال الدكتور تابوادة.
واحد من أكثر من 5000 جهاز استشعار يجمع البيانات في مرصد IceCube Neutrino في القارة القطبية الجنوبية.
صورة:
مارك كراسبرغ ، IceCube / NSF
تحافظ النيوترينوات على المعلومات تم طبعها عند تكوينها في مصادرها ، بما في ذلك طاقاتها ، وفقًا لهانس نيدرهاوزن ، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة ولاية ميتشيغان والذي شارك في البحث. يتم جلب نفس هذه الطاقة إلى الأرض مع النيوترينوات.
الآن بعد أن عرفوا من أين أتت بعض النيوترينوات ، يدرسها الباحثون لفهم أفضل أين تحدث التفاعلات داخل Messier 77 التي تخلق وتسريع هذه الجسيمات – وسلوك وطبيعة الثقب الأسود نفسه ، كما قال الدكتور نيدرهاوزن.
كما أنهم يخططون لتمشيط الكون بحثًا عن نيوترينوات أخرى من المجرات ذات الثقوب السوداء النشطة فائقة الكتلة المشابهة لـ Messier 77. وأضاف أن هذه المجرة “تعطينا فكرة جيدة جدًا عن المكان الذي ننظر إليه بعد ذلك”.
التلسكوب الكاشف للنيوترينو المستخدم في الدراسة والمعروف باسم مرصد آيس كيوب نيوترينو، مدفون في مليار طن من الجليد حول محطة أموندسن-سكوت ساوث بول الأمريكية. عندما تمر النيوترينوات عبر الأرض ، فإنها تتصادم أحيانًا مع الذرات الموجودة في الجليد. يكتشف المرصد أكثر من 5000 مستشعر بحجم كرة السلة المنتجات الثانوية لتلك الاصطدامات النادرة ويرسل تلك البيانات إلى أجهزة الكمبيوتر الموجودة على السطح.
تم الانتهاء من المرصد الذي تبلغ تكلفته 279 مليون دولار ، والذي تم تمويله بشكل أساسي من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ، في عام 2011 ويكتشف ما يقرب من 100000 نيوترينو سنويًا. يتم إنشاء جميع هذه النيوترينوات تقريبًا من خلال عمليات في غلافنا الجوي ، ولكن بضع مئات أو نحو ذلك من النيوترينوات التي يتم اكتشافها سنويًا تنشأ من خارج نظامنا الشمسي – المعروفة باسم النيوترينوات الفيزيائية الفلكية.
المختبر الذي يضم أجهزة الكمبيوتر التي تجمع البيانات من أجهزة الاستشعار تحت جليد القطب الجنوبي.
صورة:
مورينو باريسيفيتش ، IceCube / NSF
لان النيوترينوات تخترق المادة ويمرون من خلال غير متأثرين ، يسافرون دون خطأ في خط مستقيم من نقطة إنشائهم. لذلك ، من خلال رسم اتجاه انتقال النيوترينو الفيزيائي عبر الجليد ، يمكن للباحثين إعادة بناء مساره عبر الكون إلى مصدره.
يشكل ما يقرب من 400 عالم في أكثر من 50 مؤسسة تعاون IceCube الدولي ، الذي حلل البيانات تم جمعها بواسطة المرصد بين عامي 2011 و 2020 لتحديد 79 نيوترينوات نشأت من Messier 77.
قال الدكتور يوشي أوشيدا ، أستاذ الفيزياء في إمبريال كوليدج لندن الذي لم يشارك في الدراسة ، إن اكتشاف آيس كيوب لأجسام فردية تمثل مصادر النيوترينوات الفيزيائية الفلكية أمر “مذهل للغاية”. “بعد تشغيله لمدة 10 سنوات ، فإنه يحول مراقبة النيوترينوات إلى مصدر آخر للمعلومات.”
قال الدكتور تابوادا إنه يعتقد أن IceCube ستستمر في الحصول على المزيد من النيوترينوات الناشئة من هذه المجرة. لا يمكن أن تساعد هذه الاكتشافات المستقبلية في تحليل تفاصيل إضافية حول الثقب الأسود الهائل لـ Messier 77 فحسب ، بل يمكن أن تساعد في الإجابة على “أقدم سؤال في علم الفلك” ، وفقًا لفرانسيس هالزن ، عالم الفيزياء بجامعة ويسكونسن ماديسون والمحقق الرئيسي في IceCube.
لقد عرف العلماء عن وجود الأشعة الكونية – تيارات من البروتونات عالية الطاقة والنوى الذرية التي تنتقل بسرعات قريبة من الضوء وتنتج إشعاعات كهرومغناطيسية وابل من الجسيمات دون الذرية عندما تضرب الغلاف الجوي للأرض – لأكثر من قرن. لكن أصل هذه الأشعة ، وما هي الآلية التي تسرعها وترسلها في اتجاهنا ، يظل بعيد المنال.
قال الدكتور نيدرهاوزن عن الأشعة الكونية: “شيء ما في الكون أعطاهم دفعة هائلة لجعلهم يذهبون بهذه السرعة”.
النيوترينوات هي نتيجة ثانوية لتفاعلات تلك الأشعة الكونية مع المادة والإشعاع المحيط بالأجسام عالية الطاقة مثل الثقوب السوداء الهائلة ، لذا د. قال هالزن وتابوادا إن تتبع الجسيمات الشبحية إلى بدايتها يمكن أن يساعد في حل أصول الأشعة الكونية أيضًا.
اكتب إلى Aylin Woodward على [email protected]
حقوق النشر © 2022 Dow Jones & Company، Inc. جميع الحقوق محفوظة. 87990cbe856818d5eddac44c7b1cdeb8