شواهد اولین منبع اخترفیزیکی نوترینوهای پرانرژی

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 16 جولای 2018

در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷، یک نوترینوی پرانرژی^۱ پس از سفری ۴ میلیارد ساله، در رصدخانه‌ی نوترینوی آیس‌کیوب واقع در قطب جنوب آشکار شد (تصویر بالای صفحه). بلافاصله بعد از ثبت این نوترینو در آشکارسازهای آیس‌کیوب، پیغامی برای تمام رصدخانه‌های دنیا فرستاده شد تا آن‌ها به رصد مکان ورود نوترینو در آسمان بپردازند. این پیغام‌ها توسط «شبکه‌ی رصدخانه‌ی پیام‌رسان‌ چندگانه‌‌ی اخترفیزیکی^۲» و «شبکه‌ی هماهنگی پرتوگاما^۳» فرستاده شدند. رصدخانه‌های مختلف پس از مشاهدات اولیه، تابش الکترومغناطیسی زیادی در انرژی‌های متفاوت از مکان این نوترینو گزارش دادند که مشخص می‌کرد مکان آن منطبق بر یک نوع از کهکشان‌های فعال (بلازار^۴) است. این نوترینو IceCube-170922A نام‌گذاری شده است که با بلازاری به اسم TXS 0506+056 از لحاظ زمانی و موقعیت مکانی هم‌سو است. این اولین باری است که شواهدی از یک منبع اخترفیزیکی برای نوترینوهای پرانرژی رصد می‌شود. منجمان سال‌هاست که به دنبال کشف منابع اخترفیزیکی‌ای هستند که قابلیت شتاب‌دهی ذرات بنیادی بسیار کوچک را به انرژی‌های بسیار زیاد دارند.

شکل ۱. تصویر سمت چپ، مشاهدات فرمی را از مکان نوترینو IceCube-170922A نشان می‌دهد. تابش پرانرژی پرتوگاما در این شکل مشخص شده است. تصویر سمت راست، تابش پرتوگامای بسیار پرانرژی آشکارسده توسط تلسکوپ مجیک را نشان می‌دهد.

بلازارها دسته‌ای از هسته‌های فعال کهکشانی هستند که جهت جت‌های پرانرژیشان (شامل ذرات و نور) به سمت ما قرار گرفته است. در مرکز بلازارها سیاهچاله‌های پرجرمی وجود دارند و مواد با سرعت زیادی به دور سیاهچاله در چرخشند. بلازار TXS 0506+056 یک بلازار شناخته‌شده است که در طیف پرتوگاما از سال‌ها قبل مطالعه شده است. پس از دریافت پیغام نوترینو، رصدخانه‌های مختلف از جمله ماهواره‌های ناسا (سوییفت^۵ و فرمی^۶) به رصد مکان این نوترینو پرداختند. سه روز بعد اولین نتایج که مربوط به تلسکوپ پرتوایکس سوییفت^۷ بود توسط سیستم «شبکه‌ی هماهنگی پرتوگاما» منتشر شد. این نتایج از حضور ۹ منبع اخترفیزیکی در نزدیکی این نوترینو که در زاویه‌ی دید تلسکوپ پرتوایکس سوییفت بود، گزارش می‌دادند که یکی از آن‌ها (بلازار TXS 05006+056) تنها ۰.۰۸ درجه از جهت نوترینو فاصله داشت. یک روز بعد تلسکوپ مساحت بزرگ فرمی یا فرمی-لت^۸ اعلام کرد که این منبع، در حال انتشار شار بسیار زیادی از پرتوگاما است و در ماه‌های اخیر بسیار فعال بوده است. این موضوع باعث شد تا تلسکوپ‌های دیگر از جمله سوییفت به مشاهدات خود ادامه دهند. طی روزهای بعد، در طیف گسترده‌ای از امواج الکترومغناطیسی تابش‌های مختلف گزارش شد. از جمله، تلسکوپ مجیک^۹ که به پرتوهای گامای پرانرژی حساس است، گزارش داد که برای اولین بار پرتوگامای پرانرژی مطابق بر جهت یک نوترینو گزارش شده است (شکل ۱). مشاهدات اپتیکی، فاصله‌ی این بلازار را تقریبا ۴ میلیارد سال‌نوری تخمین زده‌اند. شکل ۲ توزیع طیف انرژی این بلازار را نشان می‌دهد که از امواج رادیویی تا پرتوهای گاما توسط تلسکوپ‌های مختلف گسترش یافته است و مربوط به مشاهدات طی ۱۴ روز بعد از ورود نوترینو است.

شکل ۲. توزیع طیف انرژی بلازار TXS 0506+056 که با جهت نوترینوی IceCube-170922A منطبق است و طی ۱۴ روز پس از مشاهده‌ی نوترینو ثبت شده‌اند.

نتایج تمام مشاهدات چندگانه و چندطیفی و انطباق زمانی و مکانی این نوترینوی پرانرژی با این بلازار فعال، هفته‌ی گذشته در مجلهی ساینس منتشر شد. در این مقاله با استفاده از مشاهدات چندطیفی این بلازار، احتمال شانسی‌بودن این تطابق با روش‌های مختلف آماری محاسبه شده است. از آن‌جایی که از لحاظ تئوری و براساس مطالعات مختلف تاکنون، تعداد زیادی کاندید برای منابع نوترینویی وجود دارند، هیچ نظریه‌‌ی خاصی قبل از رصد نوترینو برای محاسبه‌ی احتمال تطابق در نظر گرفته نشده است. اما بعد از مشاهده، سناریوهای تطابقی مختلفی در نظر گرفته شده و هرکدام جداگانه برای محاسبه‌ی اهمیت تطابق مشاهده‌شده تست شده‌اند. برای هر سناریو، تعداد زیادی نوترینوی مشابه شبیه‌سازی شده‌اند. هم‌چنین منحنی‌نوری منابع پرتوگاما (در مشاهدات تلسکوپ فرمی-‌لت) استفاده شده‌اند. احتمال شانسی‌بودن تطابق این نوترینو با تابش بلازار رصدشده با اطمینانی برابر با حداقل ۳سیگما در تمام سناریوها رد شده است.

این مشاهدات اولین قدم برای کشف‌های گسترده‌تری از منابع اخترفیزیکی نوترینوها هستند و بسیار حائز اهمیت‌اند. آشکارسازی تنها یک نوترینو به ما امکان بررسی جزییات مدل‌های تولید نوترینو در منبع اخترفیزیکی را به راحتی نمی‌دهند و نمی‌توان نتیجه‌گیری کرد که نرخ تولید نوترینو به پرتوگاما چه‌قدر است. مشاهدات بیشتری برای ساختن یک هم‌بستگی پایدار بین نوترینوها و بلازارها و هم‌چنین برای فهمیدن مکانیسم شتاب و تابش نوترینوها و امواج الکترومغناطیسی لازم است. علاوه بر این تحقیق، رصدخانه‌ی آیس‌کیوب در داده‌های ۱۰ ساله‌ی خود به جستجوی تابش نوترینوهای کم‌انرژی‌تر از جهت این بلازار پرداخته است که نتابج آن در مقاله‌ی دیگری در ساینس منتشر شده است و در مقاله‌ی جداگانه‌ای در اسطرلاب به شرح آن خواهیم پرداخت. خبر اولین شواهد برای منبع اخترفیزیکی نوترینوها که نتایج هردو مقاله‌ی ساینس هستند، پنج‌شنبه، ۱۲ جولای ۲۰۱۸ در کنفرانس خبری در شهر واشنگتن‌ دی‌سی توسط «بنیاد علم ملی^۱۰» آمریکا اعلام شد.