المنشأة السطحية لتجربة IceCube ، التي تقع على بعد ميل واحد (1.6 كيلومتر) من الجليد في القارة القطبية الجنوبية. يشير IceCube إلى أن النيوترينوات الشبحية غير موجودة ، لكن تجربة جديدة تقول إنها موجودة.
(الصورة: © Courtesy of IceCube Neutrino Observatory)
في الأراضي القاحلة الجليدية في أنتاركتيكا يوجد كاشف جسيمات ضخم ، مرصد IceCube Neutrino. لكن البحث عن سطح الجهاز سيثبت أنه صعب ، لأن الجزء الأكبر من المرصد محاصر تحت الجليد. كان المرصد الدولي يبحث عن النيوترينوات - وهي جزيئات لا كتلة لها ولا شحنة ولا تتفاعل تقريبًا مع المادة. الآن ، قد تحل ملاحظاته واحدة من أكبر الألغاز في علم الفلك ، وتجيب على الأسئلة وراء أصل النيوترينوات والأشعة الكونية.
أكبرهم جميعًا
يغطي مرصد IceCube Neutrino كيلومترًا مكعبًا بالقرب من القطب الجنوبي. يغطي الجهاز كيلومترًا مربعًا من السطح ويمتد إلى عمق 4920 قدمًا (1500 متر). إنه أول كاشف نيوترينو gigaton يبنى على الإطلاق.
بينما تظهر صور IceCube غالبًا مبنى يجلس على السطح الثلجي ، يتم العمل الحقيقي أدناه. تتضمن التجربة متعددة الأغراض مصفوفة سطحية ، IceTop ، مجموعة من 81 محطة تقع فوق الأوتار. يعمل IceTop ككاشف معايرة لـ IceCube ، بالإضافة إلى الكشف عن الاستحمام الهوائي من الأشعة الكونية الأولية ، وتدفقها وتكوينها.
جهاز الكشف الفرعي الداخلي الكثيف ، DeepCore ، هو قوة تجربة IceCube. تتكون كل محطة من محطات IceTop من سلاسل متصلة بوحدات بصرية رقمية (DOMs) يتم نشرها على شبكة سداسية متباعدة على مسافة 410 أقدام (125 مترًا). تحتوي كل سلسلة على 60 قطعة DOM بحجم كرة السلة. هنا ، في أعماق الجليد ، يستطيع IceCube البحث عن النيوترينوات التي تأتي من الشمس ، ومن داخل درب التبانة ، ومن خارج المجرة. ترتبط هذه الجسيمات الشبحية بالأشعة الكونية ، وهي أعلى جزيئات طاقة لوحظت على الإطلاق.
[ذات صلة: تتبع النيوترينو إلى مصدره: الاكتشاف في الصور]
الجسيمات الغامضة
تم اكتشاف الأشعة الكونية لأول مرة في عام 1912. تتصادم دفقات الإشعاع القوية مع الأرض باستمرار ، وتدفق من جميع أجزاء المجرة. حسب العلماء أن الجسيمات المشحونة يجب أن تتكون في بعض الأشياء والأحداث الأكثر عنفًا والأقل فهمًا في الكون. يوفر الموت النجمي المتفجر لنجم ، وهو مستعر أعظم ، طريقة واحدة لإنشاء أشعة كونية. الثقوب السوداء النشطة في مركز المجرات أخرى.
نظرًا لأن الأشعة الكونية تتكون من جسيمات مشحونة ، فإنها تتفاعل مع المجالات المغناطيسية للنجوم والأشياء الأخرى التي تمر بها. الحقول تشوه وتحول مسار الأشعة الكونية ، مما يجعل من المستحيل على العلماء تتبعها مرة أخرى إلى مصدرها.
وهنا يأتي دور النيوترينوات. مثل الأشعة الكونية ، يعتقد أن الجزيئات منخفضة الكتلة تتشكل من خلال العنف. ولكن لأن النيوترينوات ليس لها شحنة ، فإنها تمر عبر المجالات المغناطيسية دون تغيير مسارها ، حيث تسافر في خط مستقيم من مصدرها.
"لهذا السبب ، أصبح البحث عن مصادر الأشعة الكونية أيضًا البحث عن النيوترينوات عالية الطاقة" ، وفقًا لموقع IceCube على الويب.
ومع ذلك ، فإن نفس الخصائص التي تجعل النيوترينوات مثل هذه الرسائل الجيدة تعني أيضًا أنه من الصعب اكتشافها. في كل ثانية ، يمر ما يقرب من 100 مليار نيوترينو عبر بوصة مربعة من جسمك. يأتي معظمها من الشمس ، وليست نشطة بما يكفي للتعرف عليها بواسطة IceCube ، ولكن من المرجح أن يتم إنتاج بعضها خارج مجرة درب التبانة.
يتطلب رصد النيوترينوات استخدام مواد شديدة الوضوح مثل الماء أو الثلج. عندما يتحطم نيوترينو واحد في بروتون أو نيوترون داخل الذرة ، ينتج التفاعل النووي الناتج جسيمات ثانوية تعطي ضوءًا أزرقًا يعرف باسم إشعاع Cherenkov.
ووفقًا لفريق IceCube ، فإن "النيوترينوات التي نكتشفها تشبه بصمات الأصابع التي تساعدنا على فهم الأشياء والظواهر التي تنتج عنها النيوترينوات".
ظروف قاسية
قد لا يكون القطب الجنوبي الفضاء الخارجي ، لكنه يجلب تحدياته الخاصة. بدأ المهندسون البناء على IceCube في عام 2004 ، وهو مشروع مدته سبع سنوات تم الانتهاء منه في الموعد المحدد في عام 2010. يمكن أن يتم البناء لبضعة أشهر فقط كل عام ، خلال فصل الصيف في نصف الكرة الجنوبي ، والذي يحدث من نوفمبر إلى فبراير.
تتطلب 86 حفرة مملة نوعًا خاصًا من الحفر - اثنان منهم في الواقع. تقدمت الأولى من خلال firn ، طبقة من الثلج المضغوط ، إلى حوالي 164 قدمًا (50 مترًا). ثم ذاب الماء الساخن ذو الضغط العالي من خلال الجليد بسرعة حوالي 2 متر (6.5 قدم) في الدقيقة ، وصولا إلى عمق 2450 متر (8038 قدم ، أو 1.5 ميل).
وفقًا لـ IceCube ، "استطاع هذان المثقابان معًا إنتاج ثقوب رأسية مثالية تقريبًا بشكل مستمر جاهزة لنشر الأجهزة بمعدل فتحة واحدة كل يومين".
ثم يجب نشر الخيوط بسرعة في الماء المذاب قبل أن يتجمد الجليد. استغرق التجميد بضعة أسابيع حتى يستقر ، وبعد ذلك بقيت الأدوات لا يمكن المساس بها ، ومجمدة بشكل دائم في الجليد ولا يمكن إصلاحها. كان معدل فشل الأدوات بطيئًا للغاية ، مع وجود أقل من 100 من بين 5500 جهاز استشعار غير عاملة حاليًا.
بدأ IceCube بعمل ملاحظات من البداية ، حتى أثناء نشر سلاسل أخرى.
عندما بدأ المشروع لأول مرة ، لم يكن الباحثون على دراية بكيفية انتقال الضوء عبر الجليد ، وفقًا لهالزن. مع هذه المعلومات الراسخة ، يعمل التعاون من أجل IceCube-Gen2. سيضيف المرصد الذي تمت ترقيته ما يقرب من 80 سلسلة كشف أخرى ، في حين أن فهم خصائص الجليد سيسمح للباحثين بتمييز أجهزة الاستشعار على نطاق أوسع من التقديرات المحافظة الأصلية. يجب أن يضاعف IceCube-Gen2 حجم المرصد بنفس التكلفة تقريبًا.
علم لا يصدق
بدأ IceCube في البحث عن النيوترينوات قبل أن يكتمل ، مما أدى إلى إنتاج العديد من النتائج العلمية المثيرة للاهتمام على طول الطريق.
بين مايو 2010 ومايو 2012 ، لاحظ IceCube 28 جسيمًا عالي الطاقة للغاية. وعزا هالزن قدرة الكاشف على مراقبة هذه الأحداث المتطرفة إلى اكتمال الكاشف.
قال هالزن في بيان "هذا هو أول مؤشر على أن النيوترينوات عالية الطاقة قادمة من خارج نظامنا الشمسي ، مع طاقات أكثر من مليون مرة من تلك التي لوحظت في عام 1987 فيما يتعلق بسوبرنوفا شوهدت في سحابة ماجلانيك الكبيرة". "إنه لمن دواعي السرور أن نرى في النهاية ما كنا نبحث عنه. هذا فجر عصر جديد لعلم الفلك."
في أبريل 2012 ، تم الكشف عن زوج من النيوترينوات عالية الطاقة وأطلق عليها لقب بيرت وإيرني ، بعد شخصيات من برنامج تلفزيوني للأطفال "شارع سمسم". مع طاقات أعلى من 1 بيتا إلكترون فولت (PeV) ، كان الزوج أول نيوترينو تم اكتشافه بشكل نهائي من خارج النظام الشمسي منذ عام 1987 المستعر الأعظم.
قال أولي كاتز ، فيزيائي الجسيمات بجامعة إرلانجن-نورنبيرج بألمانيا ، والذي لم يشارك في البحث: "إنه إنجاز كبير". قال كاتز لموقع Space.com: "أعتقد أنه أحد الاكتشافات الرئيسية المطلقة في فيزياء الجسيمات الفلكية".
نتج عن هذه الملاحظات حصول IceCube على جائزة عالم الفيزياء لعام 2013.
وجاءت مكافأة كبيرة أخرى في 4 ديسمبر 2012 ، عندما اكتشف المرصد حدثًا أطلق عليه العلماء Big Bird ، أيضًا من "شارع سمسم". كان Big Bird نيوترينو بطاقة تتجاوز 2 كوادريليون إلكترون فولت ، أكثر من مليون مليون مرة من طاقة الأشعة السينية للأسنان ، معبأة في جسيم واحد مع أقل من مليون جزء من كتلة الإلكترون. في ذلك الوقت ، كان النيوترينو أعلى طاقة تم اكتشافه على الإطلاق. اعتبارًا من 2018 ، لا يزال يحتل المرتبة الثانية.
بمساعدة تلسكوب Fermi Gamma-ray Space التابع لناسا ، ربط العلماء بيغ بيرد بالنفخة النشطة للغاية من بليزر المعروف باسم PKS B1424-418. يتم تشغيل Blazars من خلال الثقوب السوداء الهائلة في وسط المجرة. بينما يلتهم الثقب الأسود المواد ، تنحرف بعض المواد إلى طائرات تحمل الكثير من الطاقة وتتفوق على النجوم في المجرة. تعمل الطائرات على تسريع المادة ، وتخلق النيوترينوهات وشظايا الذرات التي تخلق بعض الأشعة الكونية.
بدءًا من صيف 2012 ، تألق البليزر بين 15 و 30 مرة أكثر إشراقًا في أشعة جاما من متوسطه قبل الاندفاع. كشف برنامج مراقبة طويل الأمد باسم TANAMI ، والذي كان يراقب بشكل روتيني ما يقرب من 100 مجرة نشطة في السماء الجنوبية ، أن قلب نفاثة المجرة قد أضاء أربع مرات بين عامي 2011 و 2013.
وقال إدواردو روس ، من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي (MPIfR) في ألمانيا ، في بيان عام 2016: "لم تظهر أي من مجراتنا الأخرى التي رصدتها شركة TANAMI على مدار البرنامج مثل هذا التغيير الدراماتيكي". حسب الفريق أن الحدثين مرتبطان.
قال ماتياس كادلر ، أستاذ الفيزياء الفلكية بجامعة فورتسبورغ في ألمانيا: "مع الأخذ في الاعتبار جميع الملاحظات ، يبدو أن البليزر كان لديه الوسائل والدافع والفرصة لإطلاق النار من نيوترينو بيج بيرد ، مما يجعله المشتبه به الرئيسي". ألمانيا."
في يوليو 2018 ، أعلنت IceCube أنها ، وللمرة الأولى ، قامت بتتبع النيوترينوات إلى مصدرها الأصلي. في سبتمبر 2017 ، بفضل نظام التنبيه المثبت حديثًا والذي يبث للعلماء حول العالم في غضون دقائق من اكتشاف مرشح نيوترينو قوي ، تمكن الباحثون من تحويل مقاريبهم بسرعة في الاتجاه الذي نشأت فيه الإشارة الجديدة. نبه فيرمي الباحثين إلى وجود بليزر نشط ، يُعرف باسم TXS-0506 + 056 ، في نفس الجزء من السماء. وأكدت ملاحظات جديدة أن البليزر كان يشتعل ، ينبعث منه دفقات طاقة أكثر إشراقا من المعتاد.
بالنسبة للجزء الأكبر ، TXS هو نموذجي. إنها واحدة من 100 بريق لامع اكتشفها فيرمي. ومع ذلك ، في حين أن الـ 99 الأخرى مشرقة أيضًا ، إلا أنهم لم يقذفوا النيوترينوات نحو IceCube. في الأشهر الأخيرة ، كان TXS يشتعل ويضيء ويخفت أقوى بمئات المرات مما كان عليه في السنوات السابقة.
"تتبع أن النيوترينو عالي الطاقة الذي اكتشفه IceCube إلى TXS 0506 + 056 يجعل هذه المرة الأولى التي نتمكن فيها من التعرف على كائن معين كمصدر محتمل لهذا النيوترينو عالي الطاقة" ، جريجوري سيفاكوف ، من الجامعة وقال ألبرتا في كندا في بيان.
IceCube لم ينته بعد. سيبقي نظام الإنذار الجديد علماء الفلك على أصابع قدميهم في السنوات المقبلة. عمر المرصد المخطط له هو 20 عامًا ، لذلك هناك على الأقل عقد آخر من الاكتشافات المذهلة القادمة من مرصد القطب الجنوبي.
