أنتجت البيانات التي تم جمعها بواسطة مرصد في أنتاركتيكا أول رؤية لنا لمجرة درب التبانة من خلال عدسة جسيمات النيوترينو. إنها المرة الأولى التي نرى فيها مجرتنا “مطلية” بجسيم ، وليس بأطوال موجية مختلفة من الضوء.
توفر النتيجة المنشورة في مجلة Science للباحثين نافذة جديدة على الكون. يُعتقد أن النيوترينوات تنتج جزئيًا عن طريق جسيمات مشحونة عالية الطاقة تسمى الأشعة الكونية والتي تتصادم مع مادة أخرى. بسبب محدودية معدات الكشف لدينا ، ما زلنا لا نعرف الكثير عن الأشعة الكونية. لذلك ، تعتبر النيوترينوات طريقة أخرى لدراستها.
لقد تم التكهن منذ العصور القديمة بأن درب التبانة التي نراها تتقوس عبر سماء الليل تتكون من نجوم مثل شمسنا. في القرن الثامن عشر ، تم التعرف على أنه لوح من النجوم نراه من الداخل. لقد مرت 100 عام فقط منذ أن علمنا أن مجرة درب التبانة هي في الواقع مجرة ، أو “جزيرة كون” ، واحدة من بين مائة مليار أخرى.
في عام 1923 ، حدد عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل نوعًا من النجوم النابضة يُدعى “متغير سيفيد” في ما كان يُعرف آنذاك باسم “سديم أندروميدا” (سحابة عملاقة من الغبار والغاز). بفضل العمل السابق لهنريتا سوان ليفيت ، وفر هذا مقياسًا للمسافة من الأرض إلى أندروميدا.
أظهر هذا أن أندروميدا هي مجرة بعيدة مثل مجرتنا ، مما أدى إلى تسوية نقاش طويل الأمد وغير مفهومنا تمامًا عن مكاننا في الكون.
فتح النوافذ
بعد ذلك ، عندما فتحت نوافذ فلكية جديدة على السماء ، رأينا منزلنا المجري في العديد من الأطوال الموجية المختلفة للضوء – في موجات الراديو ، في نطاقات الأشعة تحت الحمراء المختلفة ، في الأشعة السينية وأشعة جاما. الآن ، يمكننا أن نرى موطننا الكوني في جسيمات النيوترينو ، التي لها كتلة منخفضة جدًا وتتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المواد الأخرى – ومن هنا جاءت تسميتها بـ “جسيمات الأشباح”.
تنبعث النيوترينوات من مجرتنا عندما تصطدم الأشعة الكونية بالمادة بين النجوم. ومع ذلك ، يتم إنتاج النيوترينوات أيضًا بواسطة نجوم مثل الشمس ، أو بعض النجوم المتفجرة ، أو المستعرات الأعظمية ، وربما عن طريق معظم الظواهر عالية الطاقة التي نلاحظها في الكون مثل انفجارات أشعة غاما والكوازارات. وبالتالي ، يمكنهم تزويدنا برؤية غير مسبوقة للعمليات النشطة للغاية في مجرتنا – وهي وجهة نظر لا يمكننا الحصول عليها من استخدام الضوء وحده.
تطلب اكتشاف الاختراق الجديد “تلسكوبًا” غريبًا نوعًا ما مدفونًا على عمق عدة كيلومترات في الغطاء الجليدي في القطب الجنوبي ، تحت القطب الجنوبي. يستخدم مرصد آيس كيوب نيوترينو غيغا طن من الجليد شديد الشفافية تحت ضغوط هائلة للكشف عن شكل من أشكال الطاقة يسمى إشعاع شيرينكوف.
ينبعث هذا الإشعاع الخافت من الجسيمات المشحونة ، والتي يمكن أن تنتقل في الجليد أسرع من الضوء (ولكن ليس في الفراغ). تتكون الجسيمات من النيوترينوات الواردة ، والتي تأتي من تصادم الأشعة الكونية في المجرة ، مما يضرب الذرات الموجودة في الجليد.
الأشعة الكونية هي جزيئات بروتونية بشكل أساسي (تشكل النواة الذرية مع النيوترونات) ، إلى جانب عدد قليل من النوى الثقيلة والإلكترونات. منذ حوالي قرن من الزمان ، تم اكتشاف أنها تمطر على الأرض بشكل موحد من جميع الاتجاهات. نحن لا نعرف حتى الآن بشكل قاطع جميع مصادرها ، حيث أن اتجاهات سفرهم يتم خلطها بواسطة الحقول المغناطيسية الموجودة في الفضاء بين النجوم.
في أعماق الجليد
يمكن أن تعمل النيوترينوات كمتتبع فريد لتفاعلات الأشعة الكونية في أعماق مجرة درب التبانة. ومع ذلك ، فإن الجسيمات الشبحية تتولد أيضًا عندما تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض. لذلك احتاج الباحثون الذين يستخدمون بيانات IceCube إلى طريقة للتمييز بين النيوترينوات ذات الأصل “الفيزيائي الفلكي” – تلك الناشئة من مصادر خارج كوكب الأرض – وتلك الناتجة عن تصادم الأشعة الكونية داخل غلافنا الجوي.
ركز الباحثون على نوع من تفاعل النيوترينو في الجليد يسمى الشلال. ينتج عن ذلك زخات كروية تقريبًا من الضوء وتمنح الباحثين مستوى أفضل من الحساسية للنيوترينوات الفيزيائية الفلكية من مجرة درب التبانة. هذا لأن الشلال يوفر قياسًا أفضل لطاقة النيوترينو مقارنة بأنواع التفاعلات الأخرى ، على الرغم من صعوبة إعادة بنائها.
أسفر تحليل بيانات IceCube لمدة عشر سنوات باستخدام تقنيات التعلم الآلي المتطورة عن ما يقرب من 60.000 حدث نيوترينو بطاقة تزيد عن 500 جيجا إلكترون فولت (GeV). من بين هؤلاء ، كان حوالي 7٪ فقط من أصل فيزيائي فلكي ، والباقي يرجع إلى المصدر “الخلفي” للنيوترينوات التي تولدت في الغلاف الجوي للأرض.
تم رفض الفرضية القائلة بأن جميع أحداث النيوترينو قد تكون ناجمة عن ارتطام الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض بشكل قاطع عند مستوى دلالة إحصائية يُعرف باسم 4.5 سيجما. بعبارة أخرى ، نتيجتنا لديها فرصة واحدة من كل 150.000 فقط لتكون حظًا.
هذا أقل قليلاً من معيار 5 سيجما التقليدي لادعاء اكتشاف في فيزياء الجسيمات. ومع ذلك ، فإن مثل هذا الانبعاث من مجرة درب التبانة متوقع على أسس سليمة في الفيزياء الفلكية.
مع التوسيع القادم للتجربة – سيكون IceCube-Gen2 أكبر بعشر مرات – سنكتسب المزيد من أحداث النيوترينو وستتحول الصورة الباهتة الحالية إلى عرض تفصيلي لمجرتنا ، صورة لم نشهدها من قبل.
