یخ عمیق آنتارتیک، پنجره‌ای به سوی جهان فانی

آآکادمی سوئدی علماعلام کرد که جایزه نوبل فیزیک سال 2026 را به فرانسیس هالزن،استاد دانشگاه، اعطا خواهد کرد.،دانشگاه ویسکونسین-مادیسون، در ایالات متحده

این جایزه، هالزن را به خاطر مشارکت‌های مهم در ایجادتلسکوپ نیوتریون IceCubeتقدیر می‌کند. همچنین این جایزه را به خاطر کشف نیوتریون‌های کیهانی با انرژی بالا - که می‌تواند به عنوان باز کردن یک پنجره جدید برای مشاهده جهان ترجمه شود - نیز به او اهدا می‌کند.

اما نیوترینوها چه هستند؟

گزارشی درباره‌ینئوترینواین ذرات مرموزترین اجزاء در فیزیک هستند. آن‌ها در تمام جاهاکوسموسبه تعداد زیاد، تریلیون‌ها از آن‌ها در هر ثانیه از بدن ما عبور می‌کنند، آن‌ها به ندرت با ماده‌ای که از آن عبور می‌کنند تعامل دارند و مسافت‌های بسیار زیادی در جهان را بدون ردی بدون طی می‌کنند.

به همین دلیل، ما آن‌ها را به طور رایج به عنوان "ذرات شبح" می‌نامیم. این ذرات زیراتمی بدون بار الکتریکی و با جرم بسیار کوچک هستند و به عنوان مثال در داخل خورشید و جو خود تولید می‌شوند.

نئوترینوهای پرانرژی که توسط IceCube مشاهده شده‌اند، به ویژه، منشأ آن‌ها در شدیدترین رویدادهای کیهانی، مانند فرآیندهایی است که منجر به انفجار ستارگان می‌شوند یا در اطراف سیاهچاله‌ها رخ می‌دهند.

از نظر نجوم، نئوترینوها به عنوان پیام‌دهندگان کیهانی بسیار خاص در نظر گرفته می‌شوند. در حالی که نور می‌تواند توسط گاز و گرد و غبار موجود در کیهان جذب شود، نئوترینوها به راحتی از این موانع عبور می‌کنند و اطلاعاتی را از مناطق کیهانی که در غیر این صورت قابل دسترسی نبودند، به ارمغان می‌آورند.

یک جنبه مهم دیگر این است که نئوترینوها، به دلیل نداشتن بار الکتریکی، بدون اینکه مسیرشان توسط تعامل با میدان‌های مغناطیسی منحرف شود، منتشر می‌شوند.

به این ترتیب، برخلاف ذرات دیگر مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها - که نیز اطلاعاتی در مورد این پدیده‌های کیهانی شدید دارند، اما توسط میدان مغناطیسی کهکشان منحرف می‌شوند و جهت‌گیری خود را از دست می‌دهند - نیوترینوها مستقیماً به مناطق مبدأ خود اشاره می‌کنند.

سهم هالزن برای ایجاد یک رشته جدید در نجوم، یعنی نجوم نیوترینو، بسیار مهم بود. این رشته همچنین به عنوان نجوم چند-پیام نامیده می‌شود، زیرا یک پیام‌دهنده جدید را برای تکمیل مطالعات کیهان توسط فیزیکدانان با استفاده از تابش الکترومغناطیسی معرفی می‌کند.

یک رشته جدید - اما پر از چالش

بزرگترین چالش برای انجام نجوم با نیوترینو، تشخیص آنها است.

درست مانند یک نیوترینو می‌تواند اطلاعات مستقیم از مکان‌های دور و عمیق کیهان را به ما ارائه دهد، زیرا توسط ماده موجود در آن جذب نمی‌شود، به راحتی می‌تواند از یک آشکارساز عبور کند بدون اینکه متوجه آن شود. بنابراین، برای افزایش شانس گرفتن یک سیگنال از نیوترینو، باید یک آشکارساز بزرگ بسازیم.

بر اساس این چالش، در اواخر دهه 1980، هالزن به توسعه ایده جسورانه ای کمک کرد: استفاده ازیخ بسیار شفاف آنتارتیکبه عنوان یک تلسکوپ عظیم.

ایده این بود که سنسورهایی را در مناطق عمیق و تاریک یخ آنتارتیک نصب کرد که قادر به تشخیص سیگنال های ضعیف نور ناشی از تعامل نوترینو ها با یخ باشند و منتظر بمانند تا این تعاملات نادر رخ دهند.

نتیجه، یک تلسکوپ بودIceCube، که در قطب جنوب ساخته شده است. بسیار متفاوت از یک تلسکوپ معمولی، این دستگاه از 5160 سنسور نور که در 86 کابل زیرزمینی به عمق 1.5 تا 2.5 کیلومتری توزیع شده‌اند، تشکیل شده است. در مجموع، این سنسورها تقریباً یک کیلومتر مکعب از یخ را اشغال می‌کنند و به عنوان یک دوربین پنهان در تاریکی عمل می‌کنند.

نحوه عملکرد سنسورهای IceCube

هنگامی که یک نیوترینو یکی از تعاملات نادر خود را با اتم‌های یخ داشته باشد، این برخورد یک ذرات حامل بار الکتریکی، یعنییک مگون.

به دلیل انرژی بالای نئوترینو که آن را ایجاد کرده، این مونو با سرعتی بیشتر از سرعت نور در یخ حرکت می‌کند - نه در خلاء، که سرعت حدی تعیین شده توسط نسبیت اینشتین برای هر جسم در جهان است - و در نتیجه، یک درخشش به نامنور چرنکوفایجاد می‌کند، که توسط سنسورهای نور IceCube قابل تشخیص است.

از آنجایی که تعداد زیادی از آن‌ها در یک محیط کاملاً شفاف و تاریک غوطه می‌خورند، سنسورهای IceCube نه تنها زمان و شدت نور چرنکوف تولید شده را ثبت می‌کنند، بلکه همچنین رد باقی مانده از عبور مونو از حجم یخ را نیز ثبت می‌کنند.

بنابراین، دانشمندان می‌توانند جهت رسیدن را بازسازی کرده و انرژی نئوترینو را تخمین بزنند، که به ما امکان می‌دهد یک نقشه از آسمان را بسازیم، اما با نئوترینو.

IceCube در طول تابستان‌های سال‌های 2004 تا 2010 ساخته شد. ساخت این سازه از طریق یک فرآیند دقیق انجام شد که در آن یخ با آب گرم سوراخ می‌شد و سنسورها از طریق کابل‌ها تا مناطق عمیق فرو می‌رفتند و پس از بازجایی یخ، در آنجا تثبیت می‌شدند.

در عرض چند سال بهره‌برداری، در سال 2013، همکاری IceCube موفق به ثبت تشخیص28 نوترینو با انرژی بسیار بالاشد، که انرژی آنها با فرآیندهایی که می‌توانند نوترینو در جو تولید کنند، سازگار نبود، و این نشان می‌داد که منشأ آنها حتماً کیهانی است.

این‌گونه، آغاز آسترو فیزیک با نوترینو آغاز شد، که این ذرات به سرعت به عنوان یک پیام‌دهنده کیهانی جدید شناخته شدند.

این روش جدید از بررسی نجومی در سال 2017 یک گام دیگر برداشت، زمانی که IceCube یک نئوترینو با انرژی بسیار زیاد را از همان جهت که یک کهکشان دوردست به نامTXS 0506+056.

در لحظه مشاهده نئوترینو، کهکشان در حال انتشار یک پرتو گاما قوی بود.

این همزمانی بین دو رویداد، امکان اتصال اولین نئوترینو مشاهده شده توسط IceCube به منبع احتمالی آن را فراهم کرد و اطلاعاتی را آشکار کرد که قبلاً غیرقابل دسترس بودند.

دوباره، در سال 2022، IceCube شواهد مربوط به نئوترینوهایی را از یک کهکشان دیگر با فعالیت انرژی بالا یافت.NGC 1068در این، مرکز میزبان یک سیاهچاله فوق‌بزرگ است که توسط گاز و گرد و غبار پوشیده شده است. و در سال 2023، این مرکزتصویر اول از کهکشان راه شیری با استفاده از نئوترینوها.

این نتایج، تثبیت می‌کنند که اخترشناسی با استفاده از روش‌های چندرسانه‌ای، یک روش جدید برای مطالعه پدیده‌های کیهانی با انرژی بالا است.

یک روش که در آن هر یک از سیاره‌هایی که امروزه می‌توان آن‌ها را از طریق مشاهدات نجومی مشاهده کرد، بخشی از تاریخ را روایت کرده و دید ما از کیهان را تکمیل می‌کنند.

یک حوزه جدید مطالعه - و یک همکاری مهم

درست است که نجوم با نیوترینو هنوز یک حوزه جوان است، و بیشتر نیوترینوهای کیهانی شناسایی شده به یک منبع خاص مرتبط نیستند.

این سیگنال‌ها نادر هستند، سیگنال پس‌زمینه نیوترینوهای اتمسفریکی بزرگ است و محدودیت‌های مهمی را اعمال می‌کند. بازسازی جهت این ذرات نیازمند تجزیه و تحلیل‌های پیچیده و گاهی اوقات هنوز غیردقیق است.

در زمان دریافت چنین جایزه مهمی مانند جایزه نوبل، باید به یاد داشته باشیم که هالزن این کار را به تنهایی انجام نداد. امروز، IceCube حدود450 دانشمند، مهندس و متخصص در زمینه کامپیوتر از 58 موسسه و 14 کشور.

تلسکوپ آیس‌کباخیراً، سنسورهای جدیدی را دریافت کرده است، و آیس‌کب-ژن۲، که هنوز در حال ساخت است، دارای حجم ابزاری هشت برابر با نسخه اصلی خواهد بود، که ظرفیت آن را برای جمع‌آوری و مطالعه این پیام‌های کیهانی نادر و همچنین کشف و مطالعه بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های ذرات در کیهان افزایش می‌دهد.

و در این میان، برزیل چه؟

با اینکه برزیل عضو این همکاری نیست، اما نقش مهمی در فیزیک چند پیام دارد. پروژه‌هایCherenkov Telescope Array Observatory (CTAO)، و ازSouthern Wide-Field Gamma-ray Observatory (SWGO)، هر دو با مشارکت ملی مهم، تلسکوهای گاما خواهند بود که قادر به همکاری نزدیک با IceCube هستند تا منابع نئوترینوهای کیهانی با انرژی بالا را شناسایی و به طور دقیق مطالعه کنند.

به طور خاص، SWGO در حال حاضر آماده شروع ساخت در رشته کوه‌های شیلی است، با بودجه تأمین مالی مهمصندوق ملی برای توسعه علمی و فناوری (FNDCT)، از طریقفینپ.

با رهبری بین‌المللیمرکز تحقیقات فیزیک برزیل (CBPF)، یک موسسه تحقیقاتی متعلق بهوزارت علوم، فناوری و نوآوری (MCTI)واقع در ریو دژینیو، SWGO اولین تلسکوپ از این نوع خواهد بود که آسمان نیمکره جنوبی را مشاهده می کند و یک پنجره جدید را در علم اخترشناسی باز می کند.

این فرصت جدیدی برای کمک به آزمایش هایی مانند IceCube برای حل راز دیرینه بزرگ شتاب دهنده های ذرات در جهان است.

اولیس بارس د آلمیاندا از حمایت های فاندیناسیون حمایت از تحقیقات ایالت ریو دژینیو (FAPERJ)، شورای ملی توسعه علمی و فناوری (CNPq)، فاندیناسیون حمایت از تحقیقات ایالت سائو پالو (FAPESP) و سازمان مالیه مطالعات و پروژه ها (FINEP) برخوردار است.