رصدخانه‌ی نوترینو آیس‌کیوب۱ برای شناخت کیهان پرانرژی طراحی و ساخته شده است. جهانی که به تنهایی و با استفاده از طول‌موج‌های مختلف نور (فوتون) و دیگر پیام‌رسان‌های اخترفیزیکی قابل دسترس نیست. هدف از مشاهده‌ی نوترینوهای پرانرژی یافتن مبدا پرتوهای کیهانی، پرانرژی‌ترین ذرات یافت‌شده تا امروز، است.
نخستین مبدا نوترینوهای کیهانی بر اساس انطباق زمانی و مکانی نوترینو پرانرژی و افزایش فعالیت پرتوهای گاما شناسایی شد که در مقاله‌ی گذشته به آن پرداختیم. با گذشت ۵ سال از کشف نوترینوهای پرانرژی با مبدا کیهانی (فرای منظومه‌ی شمسی) این مشاهده اولین سر نخ از یک محیط شناخته‌شده در اخترفیزیک انرژی‌های بالا در مورد مبدا و نحوه‌ی تولید این نوترینوها ارائه کرده است. همان‌گونه که در مقاله‌ی هفته‌ی گذشته شرح داده شد، مبدا این ذرات پرانرژی یک هسته‌ی کهکشانی فعال (بلازار۲) در فاصله‌ی ۴ میلیارد سال‌نوری از زمین بوده است. بلازارها هسته‌های فعال کهکشانی هستند که جهت جت‌های پرانرژیشان (شامل ذرات و نور) به سمت مشاهده‌گر قرار گرفته است. این اجرام از فعال‌ترین محیط‌ها در اخترفیزیک انرژی‌های بالا هستند که شرایط مساعدی برای برهم‌کنش پرتوهای کیهانی پرانرژی با تابش محیط را فراهم می‌کنند. این برهم‌کنش منجر به تولید مزون‌های باردار می‌شود که در زمانی کوتاه واپاشی کرده و نوترینو تولید می‌کنند. از مهم‌ترین خصوصیات بلازارها متغیربودن فعالیت و تابش آن‌ها است. بر این مبنا احتمال بالایی مبنی بر فعالیت و تابش نوترینوهای پرانرژی در گذشته از این کهکشان نیز وجود دارد. با توجه به فعالیت ۱۰ ساله‌ی رصدخانه‌ی آیس‌کیوب امکان بررسی تابش نوترینو در راستای این کهکشان در داده‌های بایگانی‌شده‌ی این رصدخانه میسر است.
شکل ۱. نمودار توزیع سطح اطمینان جستوجوی زمان‌مند. جستوجوی زمان‌مند تابش نوترینو در راستای TXS 0506+056 برای توزیع داده‌ها با مدل توزیع زمانی گوسی (نمودار نارنجی) و جعبه (نمودار آبی) انجام شده است. بالاترین سطح مشاهده‌شده در سال ۲۰۱۴ و متعلق به یک دوره‌ی ۱۵۰روزه است.
جستوجوی مبدا نوترینوهای پرانرژی به دو صورت مستقل از زمان و زمان‌مند ممکن است. در جستوجوی مستقل از زمان، تجمع نوترینوهای مشاهده‌شده در راستای مشخصی از فضا بیان‌کننده‌ی وجود مولدهای نوترینو در آن راستا است. این نشانه در مقابل تجمع تصادفی نوترینوهای پس‌زمینه سنجیده می‌شود. در حالی‌که در جستوجوی زمان‌مند یا وابسته به زمان، مبدا نوترینوها بر اساس تجمع نوترینوهای مشاهده‌شده در زمان محدود و در یک راستا، معین می‌شود. محدودبودن زمان جست‌وجو، منجر به کاهش نوترینوهای پس‌زمینه و افزایش دقت جست‌وجو می‌شود.
با مشاهده‌ی تطابق زمانی نوترینوهای پرانرژی و تابش پرتوهای گاما در راستای بلازار TXS 0506+056 جست‌وجو برای نشانه‌ای از تابش نوترینو در داده‌های بایگانی‌شده‌ی آیس‌کیوب انجام شد. بررسی زمان‌مند این داده‌ها مشخص کرد که بلازار TXS 0506+056 در سال ۲۰۱۴ یک فوران نوترینو در بازه‌ای ۱۵۰ روزه انجام داده است. عدم تطابق این فوران با تابش پس‌زمینه با اطمینان ۳.۵سیگما تایید شد. فوران نوترینو مشاهده‌شده بیانگر مشاهده‌ی ۱۳ نوترینو پرانرژی در راستای بلازار TXS 0506+056 بود. مشاهده‌ی این فوران نوترینو به صورت مستقل و بدون تطابق زمانی با داده‌های رصدخانه‌های دیگر، گام مهم دیگری در شناسایی مبدا و درک چگونگی تولید نوترینوهای پرانرژی مشاهده‌شده است.
شکل ۲. نمودار مختصات سماوی که سطح اطمینان از عدم تطابق فوران مشاهده‌شده با تابش پس‌زمینه را نشان می‌دهد. نشان‌گر + مختصات TXS 0506+056 را نمایش می‌دهد.
مشاهده‌ی فوران نوترینوهای پرانرژی در داده‌های پیشین آیس‌کیوب از چند جهت حائز اهمیت است. نخست آن‌که نشانه‌ای دیگر از مبدا پرتوهای کیهانی ارائه می‌دهد. مضاف بر آن، نشانه‌ی مستقل دیگری از تابش شار نوترینوها از بلازار TXS 0506+056 است. گرچه بررسی‌های انجام‌شده روی داده‌های پرتوهای گاما از ماهواره فرمی-لت۳ نشان‌دهنده‌ی افزایش تعداد پرتوهای پرانرژی در راستای این بلازار می‌باشد، اما تاکنون نشانه‌ای از فوران پرتوهای گاما در مقطع مشاهده‌شده پیدا نشده است. تعیین دقیق وجود یا عدم وجود افزایش فعالیت طیف گاما در دوره‌ی فوران نوترینو به دلیل نبود مشاهدات دیگر رصدخانه‌های پرتو گاما امکان‌پذیر نیست. عدم وجود فوران پرتوهای گاما در بازه‌ی زمانی فوران نوترینو می‌تواند بیانگر تولید نوترینو در TXS 0506+056 با بازدهی بسیار بالا باشد. بازدهی بالا به معنای چگالی تابشی بسیار زیاد در منبع نوترینو است که موجب کدرشدن هسته‌ی کهکشان برای فوتون‌های انرژی بالا می‌شود. این مکانیزم تولید نوترینوهای پرانرژی بیانگر وجود مولدهای نوترینوی تاریک در طول‌موج‌های کوتاه است. در این صورت مشاهدات پرتو ایکس (یعنی در انرژی‌های پایین‌تر از پرتوگاما) می‌تواند رمزگشای نحوه‌ی تولید و میزان انرژی ساطع‌شده از این منابع نوترینو باشد.
نتایج مشاهده‌ی فوران نوترینوهای پرانرژی در داده‌های بایگانی رصدخانه‌ی آیس‌کیوب هم‌زمان با شواهد انطباق زمانی نوترینوی پرانرژی با پرتوهای گاما در مجله‌ی ساینس منتشر و در کنفرانس خبری بنیاد ملی علم آمریکا۴ اعلام شد. مشاهده‌ی مستقل منبعی از نوترینوهای پرانرژی گام مهمی در فهم شتاب‌دهنده‌های اخترفیزیکی ذرات و سهم کهکشان‌های فعال در شار پخشی مشاهده‌شده، است. مشاهدات پیش رو و برنامه‌های آتی برای ارتقا رصدخانه‌ی آیس‌کیوب به پاسخ‌گویی سؤالات باقی‌مانده کمک خواهد کرد.
علی خیراندیش و آزاده کیوانی هر دو از نویسندگان اسطرلاب هستند که عضو تیم تحقیقاتی رصدخانه‌ی نوترینو آیس‌کیوب‌اند و در دو مقاله‌ی مربوط به این مشاهده که ۱۲ جولای در ساینس منتشر شد مشارکت داشته‌اند. مقاله‌ی دیگر را که هفته‌ی گذشته در اسطرلاب منتشر شد، اینجا بخوانید.
(۱) IceCube Neutrino Observatory
(۲) Blazar
(۳) Fermi-LAT
(۴) National Science Foundation or NSF
عنوان اصلی مقاله: Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert
نویسندگان: The IceCube Collaboration
این مقاله در نشریه‌ی Science چاپ شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/11/science.aat2890.full
گردآوری: علی خیراندیش
سلام
ممنون میشم درباره تخمین جرم نوترینوها و روشهای آن راهنمایی بفرمایید
ممنون