جستجوی نوترینوهای پرانرژی در رخداد ادغام ستاره‌های نوترونی

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 16 اکتبر 2017

رصدخانه‌ی لایگو^۱ حدود دو سال پیش برای اولین بار امواج گرانشی را رصد کرد که در این مقاله به جزییات آن پرداختیم. امواج آشکارشده در فرآیند ادغام دو سیاهچاله تولید شده بودند که در آشکارسازهای لایگو به ثبت رسیدند. امروز لایگو به همراه آشکارساز دیگر امواج گرانشی، ویرگو^۲، خبر مشاهده‌ی امواج گرانشی حاصل از ادغام دو ستاره‌ی نوترونی را گزارش داده است. بلافاصله بعد از این ثبت (۱.۷ ثانیه)، یک انفجار پرتو گامای کوتاه‌مدت^۳ نیز توسط ماهواره‌ی فرمی^۴ و اینتگرال^۵ به ثبت رسید که این موضوع نشانگر شتاب‌گیری ذرات در منبع است. پس از آن تلسکوپ‌های زمینی و فضایی مختلف به سمت محدوده‌ی مشخص‌شده توسط لایگو-ویرگو و فرمی چرخیدند و در طیف‌های مختلف به رصد منبع و جستجوی امواج الکترومغناطیسی و ذرات پرانرژی پرداختند. تابش‌ در محدوده‌ی فرابنفش، مرئی، و فروسرخ نیز از این ادغام مشاهده شد که بر تابش کیلونواختر^۶ منطبقند. مشاهدات مرئی، مکان رخداد را بادقت بالایی در کهکشان NGC4993 و در فاصله‌ی ۴۰ مگاپارسک مشخص کرد. کمی دیرتر، تابش‌هایی در محدوده‌ی پرتوایکس و رادیویی نیز مشاهده شدند که بر پس‌تاب‌های پیش‌بینی‌شده از انفجار پرتوگامای کوتاه‌مدت با زاویه‌ی مشاهده‌ی نسبتا بزرگ منطبقند. این اولین باری است که نجوم پیام‌رسان‌های چندگانه^۷ موفق به کشف هم‌زمان امواج گرانشی و امواج الکترومغناطیسی می‌شود.

شکل ۱. محل و محدوده‌ی حساس رصدخانه‌های نوترینو در زمان رخداد امواج گرانشی. مکان کهکشان NGC4993 با علامت به‌علاوه‌ی مشکلی، جهت نوترینوهای آیس‌کویب و آنتارس در محدوده‌ی زمانی ۵۰۰ ثانیه قبل و بعد از رخداد توسط ضربدرهای سبز و لوزی‌های آبی نشان داده شده‌اند. زاویه‌ی دید رصدخانه‌ی اوژه برای نوترینوهای مختلف با رنگ‌های آبی پررنگ و کم‌رنگ نشان داده شده است.

یکی از این مطالعات پیام‌رسان‌های چندگانه در راستای یافتن نوترینوهای پرانرژی از رخداد امواج گرانشی انجام شد. سه رصدخانه‌ی آیس‌کیوب^۸، آنتارس^۹، و پییراوژه^۱۰ در محدوده‌ی انرژی GeV تا EeV در داده‌های خود به دنبال نوترینوهایی گشتند که در بازه‌ی زمانی مشخص حول این رخداد (GW170817) و در جهت و راستای پرتوگاما (GRB170817A) آشکار شده باشند. در این مطالعات دو جستجوی متفاوت یکی در بازه‌ی زمانی ۵۰۰ ثانیه قبل و بعد از رخداد و یکی در ۱۴ روز بعد از ادغام انجام شده است. در هیچ‌کدام از این جستجوها نوترینوی هم‌بسته‌ای یافت نشد اما حد بالایی برای فلوئنس^۱۱ انرژی نوترینوها در انرژی‌های مختلف به دست آمد که منجر به محدودکردن مدل‌های نظری شده است.

شکل ۲. حدهای بالای فلوئنس نوترینوها در بازه‌ی ۵۰۰ ثانیه قبل و بعد از رخداد GW170817 (نمودار بالا) و بازه‌ی ۱۴ روز بعد از رخداد (نمودار پایین). حدها برای هر آزمایش جداگانه محاسبه و با مدل‌های نظری مقایسه شده‌‌اند.

شکل ۱ مناطقی از آسمان با حساسیت رصدخانه‌های نوترینو را نسبت به محل ادغام ستاره‌های نوترونی و انفجار پرتو گاما نشان می‌دهد. علامت به‌علاوه‌ی سیاه، محل کهکشان میزبان (NGC4993) را نشان می‌دهد. نوترینوهایی که توسط رصدخانه‌های آیس‌کیوب و آنتارس در بازه‌ی زمانی ۵۰۰ ثانیه به ثبت رسیده‌اند به ترتیب با رنگ‌های سبز و آبی نشان داده شده‌اند. زاویه‌ی دید رصدخانه‌ی پییراوژه نیز در شکل نشان داده شده است. شکل ۲ نیز حدود بالای فلوئنس انرژی را در دو بازه‌ی زمانی مختلف نشان می‌دهد. این مقادیر با مقادیر پیش‌بینی‌شده توسط مدل‌های نظری مقایسه شده‌اند. عدم مشاهده‌ی نوترینوی هم‌بسته با رخداد GW170817 با انتظارات نظری مبتنی بر مشاهدات یک انفجار پرتوگاما که جت‌های آن به طور مستقیم به سمت زمین نباشد و بلکه با زاویه‌ی خاصی مشاهده شود، منطبق است. هم‌چنین می‌توان نظریه‌ی دیگری مبنی بر میرایی پرتوگاما در ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی جت را مورد بررسی قرار دارد که طبق این نظریه، انتظار می‌رود که نوترینو آشکار شود. در نتبجه، طبق این مشاهدات، مدلی که در شکل با رنگ قرمز و برچسب optimistic مشخص شده است، رد می‌شود.

با کشف اولین ادغام ستاره‌ی نوترونی دوتایی نسبتا نزدیک و تلاش‌های حاضر برای پیشرفت حساسیت آشکارسازهای امواج گرانشی، پیش‌بینی می‌شود که ادغام ستاره‌های نوترونی بسیاری را در آینده‌ی نزدیک رصد کنیم. این موضوع امکان هم‌زمان بررسی تابش نوترینوها و جهت و راستای منبع ادغام را فراهم می‌کند و شناخت ما را از این منابع بیشتر می‌کند. سه رصدخانه‌ی آیس‌کیوب، آنتارس، و پییراوژه اکنون بیش‌ازپیش، آماده‌ی دنبال‌کردن سریع منابع امواج گرانشی و تحلیل داده‌های مربوطه هستند.