- إنضم
- 17/9/22
- المشاركات
- 6,739
- التفاعلات
- 15,007
استخدم العلماء في مرصد IceCube Neutrino 60.000 نيوترينو لإنشاء أول خريطة لمجرة درب التبانة مصنوعة من المادة وليس الضوء.
يقع مرصد IceCube Neutrino تحت شفق قطبي أخضر في القطب الجنوبي الجليدي (رصيد الصورة: IceCube / NSF)
تتبع العلماء الأصول المجرية لآلاف "الجسيمات الشبحية" المعروفة باسم النيوترينوات لإنشاء أول صورة على الإطلاق لمجرة درب التبانة مصنوعة من المادة وليس الضوء - ومنحهم طريقة جديدة تمامًا لدراسة الكون.
تم التقاط الصورة الرائدة من خلال التقاط النيوترينوات أثناء سقوطها عبر مرصد IceCube Neutrino ، وهو كاشف عملاق مدفون في أعماق جليد القطب الجنوبي.
تكتسب النيوترينوات لقبها المخيف لأن شحنتها الكهربائية غير الموجودة وكتلتها شبه الصفرية تعني أنها بالكاد تتفاعل مع أنواع أخرى من المادة. على هذا النحو ، تطير النيوترينوات مباشرة عبر المادة العادية بسرعة تقترب من سرعة الضوء.
ومع ذلك ، فمن خلال إبطاء هذه النيوترينوات ، تمكن الفيزيائيون أخيرًا من تتبع أصول الجسيمات التي تبعد بلايين السنين الضوئية عن الانفجارات النجمية الكارثية وتصادمات الأشعة الكونية. نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 29 يونيو في مجلة Science.
"القدرات التي يوفرها كاشف IceCube شديد الحساسية ، إلى جانب أدوات تحليل البيانات الجديدة ، أعطتنا رؤية جديدة تمامًا لمجرتنا - تلك التي تم التلميح إليها من قبل فقط ،" دينيس كالدويل ، مدير قسم الفيزياء بمؤسسة العلوم الوطنية التي مولت البحث ، قالت في بيان. "مع استمرار تحسين هذه القدرات ، يمكننا أن نتطلع إلى مشاهدة هذه الصورة وهي تظهر بدقة متزايدة باستمرار ، ومن المحتمل أن تكشف عن السمات الخفية لمجرتنا التي لم ترها البشرية من قبل."
صورتان لمجرة درب التبانة. صُنع الجزء العلوي من الضوء المرئي والجزء السفلي مصنوع من النيوترينوات. (رصيد الصورة: IceCube Collaboration / مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (Lily Le & Shawn Johnson) / ESO (S. Brunier))
كيف تصطاد جسيم شبح
في كل ثانية ، يمر حوالي 100 مليار نيوترينوات عبر كل سنتيمتر مربع من جسمك. الجسيمات الدقيقة موجودة في كل مكان - تنتج في النيران النووية للنجوم ، في انفجارات السوبرنوفا الهائلة ، عن طريق الأشعة الكونية والانحلال الإشعاعي ، وفي مسرعات الجسيمات والمفاعلات النووية على الأرض. في الواقع ، النيوترينوات ، التي تم اكتشافها لأول مرة وهي تخرج من مفاعل نووي في عام 1956 ، تأتي في المرتبة الثانية بعد الفوتونات باعتبارها أكثر الجسيمات دون الذرية وفرة في الكون.
على الرغم من انتشارها في كل مكان ، فإن تفاعلات الجسيمات عديمة الشحنة وشبه عديمة الكتلة مع المواد الأخرى تجعل اكتشاف النيوترينوات أمرًا صعبًا للغاية. لقد رصدت العديد من تجارب اكتشاف النيوترينو الشهيرة القصف المستمر للنيوترينوات المرسلة إلينا من الشمس ، ولكن هذه السلسلة المتتالية تخفي أيضًا النيوترينوات من مصادر غير عادية ، مثل انفجارات النجوم العملاقة التي تسمى المستعرات الأعظمية ودشات الجسيمات التي تنتجها الأشعة الكونية.
لالتقاط النيوترينوات ، لجأ علماء فيزياء الجسيمات إلى IceCube ، الموجود في محطة القطب الجنوبي Amundsen-Scott في القارة القطبية الجنوبية. يتكون الكاشف العملاق من أكثر من 5000 جهاز استشعار بصري موزعة عبر 86 سلسلة تتدلى في ثقوب تم حفرها حتى 1.56 ميل (2.5 كيلومتر) في جليد أنتاركتيكا.
المنظر أسفل إحدى سلاسل كاشف IceCube البالغ عددها 86 ، والتي تتدلى في ثقوب محفورة حتى 1.56 ميل في الجليد. (رصيد الصورة: NSF / B. Gudbjartsson.)
في حين أن العديد من النيوترينوات تمر دون عوائق تمامًا عبر الأرض ، فإنها تتفاعل أحيانًا مع جزيئات الماء ، مما ينتج عنه جزيئات ثانوية تسمى الميونات يمكن رؤيتها على شكل ومضات من الضوء داخل مستشعرات الكاشف. من الأنماط التي تصنعها هذه الومضات ، يمكن للعلماء إعادة بناء الطاقة ، وأحيانًا مصادر النيوترينوات.
يعتمد العثور على نقطة انطلاق النيوترينو على مدى وضوح اتجاهه المسجل في الكاشف ؛ قال المؤلف الرئيسي ناوكو كوراهاشي نيلسون ، الفيزيائي بجامعة دريكسيل في فيلادلفيا ، في البيان ، إن بعضها له اتجاهات أولية واضحة للغاية ، في حين أن البعض الآخر ينتج "كرات زغب من الضوء" تحجب أصولها.
من خلال تغذية أكثر من 60.000 سلسلة من النيوترينو المكتشفة والتي تم جمعها على مدى 10 سنوات في خوارزمية التعلم الآلي ، قام الفيزيائيون ببناء صورة مذهلة: صورة أثيرية ذات لون أزرق تظهر مصادر النيوترينوات في جميع أنحاء مجرتنا.
أظهرت الخريطة أن النيوترينوات يتم إنتاجها بأغلبية ساحقة في المناطق التي تم الكشف عنها سابقًا بعدد كبير من أشعة جاما ، مما يؤكد الشكوك السابقة بأن العديد من جسيمات الأشباح يتم استدعاءها كمنتجات ثانوية للأشعة الكونية التي تصطدم بالغاز بين النجوم. كما تركت علماء الفيزياء في حالة ذهول.
قال نيلسون: "أتذكر أنني قلت ، في هذه المرحلة من تاريخ البشرية ، نحن أول من يرى مجرتنا في أي شيء آخر غير الضوء".
تمامًا مثل التطورات الثورية السابقة مثل علم الفلك الراديوي وعلم فلك الأشعة تحت الحمراء واكتشاف الموجات الجاذبية ، أعطتنا خرائط النيوترينو طريقة جديدة تمامًا للتعمق في الكون. الآن ، حان الوقت لمعرفة ما نجده.
يقع مرصد IceCube Neutrino تحت شفق قطبي أخضر في القطب الجنوبي الجليدي (رصيد الصورة: IceCube / NSF)
تتبع العلماء الأصول المجرية لآلاف "الجسيمات الشبحية" المعروفة باسم النيوترينوات لإنشاء أول صورة على الإطلاق لمجرة درب التبانة مصنوعة من المادة وليس الضوء - ومنحهم طريقة جديدة تمامًا لدراسة الكون.
تم التقاط الصورة الرائدة من خلال التقاط النيوترينوات أثناء سقوطها عبر مرصد IceCube Neutrino ، وهو كاشف عملاق مدفون في أعماق جليد القطب الجنوبي.
تكتسب النيوترينوات لقبها المخيف لأن شحنتها الكهربائية غير الموجودة وكتلتها شبه الصفرية تعني أنها بالكاد تتفاعل مع أنواع أخرى من المادة. على هذا النحو ، تطير النيوترينوات مباشرة عبر المادة العادية بسرعة تقترب من سرعة الضوء.
ومع ذلك ، فمن خلال إبطاء هذه النيوترينوات ، تمكن الفيزيائيون أخيرًا من تتبع أصول الجسيمات التي تبعد بلايين السنين الضوئية عن الانفجارات النجمية الكارثية وتصادمات الأشعة الكونية. نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 29 يونيو في مجلة Science.
"القدرات التي يوفرها كاشف IceCube شديد الحساسية ، إلى جانب أدوات تحليل البيانات الجديدة ، أعطتنا رؤية جديدة تمامًا لمجرتنا - تلك التي تم التلميح إليها من قبل فقط ،" دينيس كالدويل ، مدير قسم الفيزياء بمؤسسة العلوم الوطنية التي مولت البحث ، قالت في بيان. "مع استمرار تحسين هذه القدرات ، يمكننا أن نتطلع إلى مشاهدة هذه الصورة وهي تظهر بدقة متزايدة باستمرار ، ومن المحتمل أن تكشف عن السمات الخفية لمجرتنا التي لم ترها البشرية من قبل."
صورتان لمجرة درب التبانة. صُنع الجزء العلوي من الضوء المرئي والجزء السفلي مصنوع من النيوترينوات. (رصيد الصورة: IceCube Collaboration / مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (Lily Le & Shawn Johnson) / ESO (S. Brunier))
كيف تصطاد جسيم شبح
في كل ثانية ، يمر حوالي 100 مليار نيوترينوات عبر كل سنتيمتر مربع من جسمك. الجسيمات الدقيقة موجودة في كل مكان - تنتج في النيران النووية للنجوم ، في انفجارات السوبرنوفا الهائلة ، عن طريق الأشعة الكونية والانحلال الإشعاعي ، وفي مسرعات الجسيمات والمفاعلات النووية على الأرض. في الواقع ، النيوترينوات ، التي تم اكتشافها لأول مرة وهي تخرج من مفاعل نووي في عام 1956 ، تأتي في المرتبة الثانية بعد الفوتونات باعتبارها أكثر الجسيمات دون الذرية وفرة في الكون.
على الرغم من انتشارها في كل مكان ، فإن تفاعلات الجسيمات عديمة الشحنة وشبه عديمة الكتلة مع المواد الأخرى تجعل اكتشاف النيوترينوات أمرًا صعبًا للغاية. لقد رصدت العديد من تجارب اكتشاف النيوترينو الشهيرة القصف المستمر للنيوترينوات المرسلة إلينا من الشمس ، ولكن هذه السلسلة المتتالية تخفي أيضًا النيوترينوات من مصادر غير عادية ، مثل انفجارات النجوم العملاقة التي تسمى المستعرات الأعظمية ودشات الجسيمات التي تنتجها الأشعة الكونية.
لالتقاط النيوترينوات ، لجأ علماء فيزياء الجسيمات إلى IceCube ، الموجود في محطة القطب الجنوبي Amundsen-Scott في القارة القطبية الجنوبية. يتكون الكاشف العملاق من أكثر من 5000 جهاز استشعار بصري موزعة عبر 86 سلسلة تتدلى في ثقوب تم حفرها حتى 1.56 ميل (2.5 كيلومتر) في جليد أنتاركتيكا.
المنظر أسفل إحدى سلاسل كاشف IceCube البالغ عددها 86 ، والتي تتدلى في ثقوب محفورة حتى 1.56 ميل في الجليد. (رصيد الصورة: NSF / B. Gudbjartsson.)
في حين أن العديد من النيوترينوات تمر دون عوائق تمامًا عبر الأرض ، فإنها تتفاعل أحيانًا مع جزيئات الماء ، مما ينتج عنه جزيئات ثانوية تسمى الميونات يمكن رؤيتها على شكل ومضات من الضوء داخل مستشعرات الكاشف. من الأنماط التي تصنعها هذه الومضات ، يمكن للعلماء إعادة بناء الطاقة ، وأحيانًا مصادر النيوترينوات.
يعتمد العثور على نقطة انطلاق النيوترينو على مدى وضوح اتجاهه المسجل في الكاشف ؛ قال المؤلف الرئيسي ناوكو كوراهاشي نيلسون ، الفيزيائي بجامعة دريكسيل في فيلادلفيا ، في البيان ، إن بعضها له اتجاهات أولية واضحة للغاية ، في حين أن البعض الآخر ينتج "كرات زغب من الضوء" تحجب أصولها.
من خلال تغذية أكثر من 60.000 سلسلة من النيوترينو المكتشفة والتي تم جمعها على مدى 10 سنوات في خوارزمية التعلم الآلي ، قام الفيزيائيون ببناء صورة مذهلة: صورة أثيرية ذات لون أزرق تظهر مصادر النيوترينوات في جميع أنحاء مجرتنا.
أظهرت الخريطة أن النيوترينوات يتم إنتاجها بأغلبية ساحقة في المناطق التي تم الكشف عنها سابقًا بعدد كبير من أشعة جاما ، مما يؤكد الشكوك السابقة بأن العديد من جسيمات الأشباح يتم استدعاءها كمنتجات ثانوية للأشعة الكونية التي تصطدم بالغاز بين النجوم. كما تركت علماء الفيزياء في حالة ذهول.
قال نيلسون: "أتذكر أنني قلت ، في هذه المرحلة من تاريخ البشرية ، نحن أول من يرى مجرتنا في أي شيء آخر غير الضوء".
تمامًا مثل التطورات الثورية السابقة مثل علم الفلك الراديوي وعلم فلك الأشعة تحت الحمراء واكتشاف الموجات الجاذبية ، أعطتنا خرائط النيوترينو طريقة جديدة تمامًا للتعمق في الكون. الآن ، حان الوقت لمعرفة ما نجده.
