نوترینوها و هسته‌های کهکشانی فعال

نوترینوها و هسته‌های کهکشانی فعال

در سومین مقاله از سری مقاله‌های «ارزیابی ده‌سالانه‌ی اخترشناسی و اخترفیزیک۱» به بررسی اهمیت مطالعه‌ی هم‌زمان نوترینوهای پرانرژی و فوتون‌ها از هسته‌های کهکشانی فعال می‌پردازیم. به مطالعات هم‌زمان که از ذرات یا امواج مختلف برای بررسی یک رخداد استفاده می‌کنند، پیام‌رسان‌های چندگانه۲ می‌گویند. در این مقاله‌ی سفید، روش پیام‌رسان‌های چندگانه که مشاهدات نوترینوهای پرانرژی توسط تلسکوپ‌های نسل بعدی را با مشاهدات الکترومغناطیسی چندطیفی (با تاکید بر محدوده‌ی انرژی پرتو ایکس نرم تا پرتوگاما بسیار پرانرژی) ترکیب می‌کنند، مورد بررسی قرار گرفته است. در این نوشته، به مرور خلاصه‌ای از این مقاله می‌پردازیم.

هسته‌های کهکشانی فعال از پرانرژی‌ترین رخدادهای شناخته‌شده در عالم‌اند. در این سیستم‌ها، در مرکز کهکشان یک سیاهچاله‌ی ابرپرجرم وجود دارد که مواد به دور آن در یک قرص برافزایشی می‌گردند و جت‌هایی از ذرات نسبیتی عمود بر صفحه‌ی کهکشان و در دو سمت آن تولید می‌شوند که انرژی الکترومغناطیسی زیادی ساطع می‌کنند. در حالتی که جهت این جت‌ها به سمت مشاهده‌گر زمینی باشد، به این سیستم‌ها بلازار۳ می‌گویند. آسمان پرتوگاما بیش از هرچیز شامل بلازارها است. تابش غیرگرمایی بلازارها در کل طیف الکترومغناطیسی (از رادیویی تا پرتوگامای پرانرژی) گسترده‌ شده است.

در هسته‌های کهکشانی فعال، تابش گسترده‌‌ی جت به دو بخش کم‌انرژی (از رادیویی تا پرتو ایکس) و پرانرژی (پرتو ایکس تا پرتو گاما) تقسیم می‌شود که از طریق مکانیسم‌های متفاوتی به وجود می‌آیند. مؤلفه‌ی کم‌انرژی از تابش سینکروترون الکترون (و یا پوزیترون) در جت حاصل می‌شود. منشأ مؤلفه‌ی پرانرژی هنوز به درستی شناخته نشده است، اما یک سناریوی محتمل، تابش حاصل از واکنش‌های لپتونی۴ (از طریق فوتون‌های تولیدشده از پراکندگی عکسِ کامپتون) است. تمام فرآیندهای شناخته‌شده که می‌توانند الکترون‌ها را تا انرژی‌های نسبیتی شتاب دهند، می‌توانند پروتون‌ها و یون‌های سنگین‌تر را نیز شتاب دهند. اگر یون‌های نسبیتی در جت، توان بسیار زیادی را منتقل کنند، فرآیندهای تابشی‌شان حائز اهمیت می‌شوند. سناریوهای لپتوهادرونی۵ که تابش گسترده‌ی طیفی را با هردوی لپتون‌ها و هدرون‌ها توضیح می‌دهند، مؤلفه‌ی پرانرژی جت را تنها مربوط به واکنش‌های هادرونی می‌دانند.

شکل ۱. جدول زمانی برخی از ابزارهایی که در دهه‌ی آینده به مطالعات پیام‌رسان‌های چندگانه کمک خواهند کرد. بودجه‌ی برخی از این ابزارها هنوز به طور کامل تعیین نشده و برای همین شروع پروژه به طور دقیق مشخص نشده است. 

شکل ۱. جدول زمانی برخی از ابزارهایی که در دهه‌ی آینده به مطالعات پیام‌رسان‌های چندگانه کمک خواهند کرد. بودجه‌ی برخی از این ابزارها هنوز به طور کامل تعیین نشده و برای همین شروع پروژه به طور دقیق مشخص نشده است.

هسته‌های کهکشانی فعال جت‌دار از محتمل‌ترین منابع پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی و متعاقبا نوترینوها هستند. نوترینوها در بخش‌های مختلفی از جمله هسته‌، جت، کهکشان میزبان، و فضای بین کهکشانی (در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با میدان‌های تابشی کیهانی) می‌توانند تولید شوند. اما برخلاف فوتون‌ها، نوترینوها تنها می‌توانند در واکنش‌های هادرونی به وجود بیایند. به همین دلیل مشاهده‌ی نوترینوها از هسته‌های کهکشانی فعال حائز اهمیت بسیاری است، چراکه نه تنها در شناخت ما از شتاب‌دهنده‌های کیهانی کمک می‌کنند، بلکه ما را به پاسخ به سؤال بزرگی که بیش از ۵۰ سال است اخترفیزیک‌دانان را به خود مشغول کرده‌ است، «منشأ پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی چیست؟»، نزدیک می‌کند.

رصدخانه‌ی آیس‌کیوب چند سالی است که شاری از نوترینوهای اخترفیزیکی را مشاهده کرده است. این نوترینوها در محدوده‌ی انرژی ۱۰ TeV تا ۱۰ PeV هستند (یعنی به ترتیب ۱۰ به توان ۱۲ و ۱۰ به توان ۱۵ الکترون‌ولت). با این وجود منشأ این نوترینوها به درستی شناخته نشده است. هیچ منبع نقطه‌ای (متغیر یا پایدار) قوی، یا مثلا هم‌بستگی قوی بین نوترینوها و صفحه‌ی کهکشانی در داده‌های آیس‌کیوب مشاهده نشده است و این بدین معنی است که جمعیت زیادی از منابع فراکهکشانی از جمله هسته‌های فعال، گروه‌ها یا خوشه‌های کهکشانی، یا کهکشان‌های ستاره‌زا می‌توانند عامل تولید بخش بزرگی از شار پخشی نوترینوها باشند. باتوجه به چگالی انرژی یکسان نوترینوها و پرتوهای کیهانی، منشأ آن‌ها می‌تواند یکسان باشد. یکی از مطالعه‌های نوترینوها در آیس‌کیوب نشان می‌دهد که سهم بلازارها حدود ۱۰ الی ۳۰ درصد است و بلازارها نمی‌توانند مسئول تولید تمام شار مشاهده‌شده‌ی نوترینو باشند. سهم غالب این شار در محدوده‌ی ۱۰ تا ۱۰۰ TeV می‌تواند از منابعی که نسبت به پرتوهای گاما تاریک محسوب می‌شوند بیاید، مثل هسته‌های فعال کهکشانی یا بلازارهایی که تابشی در محدوده‌ی MeV (میلیون الکترون‌ولت) دارند و متاسفانه تاکنون آشکارسازهای پرتو گاما قابلیت رصد این محدوده را نداشته‌اند.

کاندید نوترینو، IceCube-170922A، که قبلا درباره‌ی آن (در این مقاله) نوشتیم تنها رخدادی است که با اهمیت آماری ۳سیگما از یک منبع نقطه‌ای (بلازار TXS 0506+056) ساطع شده است. این نوترینو در سال ۲۰۱۷ رصد شد و به سرعت تعداد زیادی از تلسکوپ‌ها به مشاهده‌ی محل دریافت نوترینو پرداختند که منجر به یافت یک بلازار فعال در آن ناحیه شد. در ادامه، همان‌طور که قبلا در این مقاله نوشتیم، در داده‌های آرشیوی آیس‌کیوب، شاری از نوترینوها در بازه‌ی چندماهه طی سال‌های ۲۰۱۴ و ۲۰۱۵ از همان بلازار یافت شد. مشکل اصلی این مشاهده‌ی آرشیوی، کمبود داده‌های تلسکوپ‌های دیگر در بازه‌ی زمانی مورد نظر بود و در داده‌های موجود فوران پرتو گامایی مشاهده نشده است. این موضوع باعث می‌شود که توضیح نظری قابل اطمینانی برای مشاهدات پیام‌رسان‌های چندگانه‌ی مربوط به این منبع موجود نباشد که سؤالات مهم بسیاری را طرح می‌کند: چه چیزی باعث مشاهده‌ی فورانی از نوترینوها در ۲۰۱۴-۲۰۱۵ شده است؟ آیا بیش از یک بخش در کهکشان‌های فعال وجود دارد که نوترینو تولید می‌کند؟ آیا می‌توان ارتباط قوی‌تر بین نوترینو و هسته‌ی کهکشانی فعال پیدا کرد؟ بهترین استراتژی برای رصد پرتوهای گاما و نوترینوها چیست (به خصوص اگر آن‌ها هم‌زمان تولید نشوند)؟ در این مقاله، محققان توانایی‌های رصدی لازمه برای پاسخگویی به این سؤال‌ها را در دهه‌ی بعد مطرح می‌کنند.

مطالعات (پیام‌سان‌های) چندگانه‌ی هسته‌های کهکشانی فعال در دهه‌ی آینده:

در دهه‌ی آینده، نسل بعدی تلسکوپ‌های نوترینو ساخته خواهد شد و به همراهی تلسکوپ‌های جدید الکترومغناطیسی تحولی در مطالعات هم‌زمان چندگانه‌ی منابع اخترفیزیکی از جمله هسته‌های فعال رخ خواهد داد. آشکارساز آیس‌کیوب در قطب جنوب که در حال حاضر بزرگ‌ترین ابزار رصدی نوترینوها است، به زودی مرحله‌ای از توسعه‌ی خود را شروع خواهد کرد. به پروژه‌ی جدید نسل دو آیس‌کیوب۶ گفته می‌شود. در نیم‌کره‌ی شمالی هم پروژه‌های KM3NeT و GVD نسخه‌ی پیشرفته‌ی آشکارسازهای فعلی یعنی ANTARES و Baikal NT-200 خواهند بود. حساسیت آشکارساز نسل دو آیس‌کیوب، ۵ برابر حساسیت فعلی جهت مشاهده‌ی منابع نقطه‌ای از جمله هسته‌های کهکشانی فعال خواهد بود. نرخ آشکارسازی نوترینوها (و تفکیک زاویه‌ای محل ورودشان) نیز چندین برابر (بهتر) خواهد شد.

دریافت داده‌های الکترومغناطیسی در کنار نوترینوها در شناسایی منابع بسیار مهم است. رخداد IceCube-170922A و بلازار TXS 0506+056 نشان داد که تحلیل چندگانه‌ی داده‌های مختلف الزاما کار آسانی نیست و طیف پیوسته‌ای از داده‌های الکترومغناطیسی نیاز است. هرچند در حال حاضر تلسکوپ‌های سوییفت۷ و فرمی۸ کمک بسیاری به این مطالعات می‌کنند، تعداد بیشتری از این قبیل تلسکوپ‌ها برای پوشش زمانی و مکانی منابع مختلف نیاز است. ابزارهای آینده با زاویه‌ی دید رصدی بزرگ‌تر مانند TAP، STROBE-X، WFM و TAO-ISS حساسیت رصدی مناسبی برای مطالعات پیام‌رسان‌های چندگانه مهیا می‌کنند. شکل ۱، جدول زمانی تقریبی ساخت و پرداخت هریک از این ابزارها را در دهه‌ی آینده نشان می‌دهد. همان‌طور که پیش‌تر گفتیم، در حال حاضر هیچ تلسکوپی با حساسیت رصدی کافی در محدوده‌ی انرژی MeV وجود ندارد که برای شناخت ما از تابش هادرونی در جت هسته‌های کهکشانی فعال حیاتی است. پروژه‌هایی هم‌چون AMEGO و e-ASTROGAM در آینده می‌توانند این خلأ را در طیف الکترومغناطیسی برای مطالعات هم‌زمان نوترینو و تابش چندطیفی از کهکشان‌های فعال پر کنند.

به این ترتیب به نظر می‌رسد در دهه‌ی آینده، موقعیت‌های بیشتر و جالب‌تری برای مطالعه‌ی نوترینوهای پرانرژی و فوتون‌ها از هسته‌های کهکشانی فعال به وجود می‌آیند. توانایی‌های منحصربه‌فرد این ابزارها در کنار هم می‌توانند سؤالات بسیاری درباره‌ی هسته‌های فعال کهکشانی را که پرتوان‌ترین شتاب‌دهنده‌های کیهانی هستند، پاسخ دهند.

 

۱) Astronomy and Astrophysics Decadal Survey
۲) multi-messenger
۳) blazar
۴) leptonic
۵) lepto-hadronic
۶) IceCube-Gen2
۷) Swift
۸) Fermi

عنوان اصلی مقاله: A Unique Messenger to Probe Active Galactic Nuclei: High-Energy Neutrinos
لینک مقاله: https://arxiv.org/abs/1903.04447
نویسندگان: M. Santander, S. Busan, K. Fang, A. Keivani, et al
گردآوری: آزاده کیوانی

دسته‌ها: مقالات آموزشی

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

در حال حاضر به عنوان دیتاساینتیست مشغول است. پیش از این به عنوان محقق و مدرس در دانشگاه کلمبیا در نیویورک به پژوهش در زمینه‌ی اخترفیزیک پیام‌رسان‌های چندگانه، نوترینوها، و امواج گرانشی می‌پرداخت و عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube بود. قبل از آن، پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و عضو تیم تحقیقاتی AMON بود. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بود. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

دیدگاه‌ها

  1. مهسا
    مهسا 8 آگوست, 2022، 09:45

    بغل دستیت تو مدرسه هما مهسا هستم خوشحالم موفق شدی

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

<