ردیابی یک نوترینوی پرانرژی تا کهکشان سایه افکن دوردست

یک ذره شبح‌مانند تنها، اخترشناسان را به سوی کهکشانی راهنمایی کرد که به سختی دیده می‌شد. آن ذره یک نوترینو بود، پیام‌آوری تقریبا بی‌جرم که از فضا و یخ گذشت تا در قطب جنوب به عنوان رویداد آی‌سی ۲۱۰۹۲۲ای ثبت شود. کوتاه. بی‌صدا. و غیرقابل چشم‌پوشی.

وقتی آیس‌کیوب این رویداد را اعلام کرد، تلسکوپ‌های سراسر جهان وارد عمل شدند. آلما، رصدخانه نیرومند موج میلی‌متری در شیلی، همان بخش از آسمان را هدف گرفت و چشمه‌ای فوق‌العاده درخشان و پوشیده از غبار پیدا کرد: جی‌سی‌ام‌تی ۰۴۰۲−۰۴۲۴. این کهکشان حدود ۱۱ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد. از دید ما در طول موج‌های زیرمیلی‌متری می‌درخشد، در حالی که تلسکوپ‌های نوری تقریبا چیزی از آن نمی‌بینند. اخترشناسان به دلیل همین پنهان‌کاری، آن را سایه‌افکن نامیده‌اند.

سال‌هاست نوترینوهای پرانرژی را به موتورهای خشن کیهانی نسبت می‌دهند، یعنی فواره‌هایی که سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم به بیرون پرتاب می‌کنند. در این مورد هم مظنون آشکار همین بود. اما تصاویر رادیویی بسیار دقیق آلما داستان دیگری را نشان دادند. نشانه‌های معمول یک سیاه‌چاله حریص دیده نمی‌شد. در عوض، داده‌ها از قلبی فشرده و خروشان از زایش ستاره‌ای پرده برداشتند: ناحیه‌ای با پهنای حدود ۱٬۵۰۰ سال نوری، انباشته از گاز و غبار، که با سرعتی سرسام‌آور در حال فروپاشی و تبدیل شدن به ستاره است.

چگونه توانستیم آن هسته پنهان را با چنین جزئیاتی ببینیم؟ طبیعت کمک کرد. یک کهکشان پیش‌زمینه میان ما و سایه‌افکن مانند عدسی گرانشی عمل می‌کند و امواج رادیویی دوردست را خم و بزرگ‌نمایی می‌کند. آلما چندین تصویر اعوجاج‌یافته را دید، بازتاب‌هایی شبیه تالار آینه‌های کیهانی که اجرام کم‌نور را درخشان و قابل تفکیک می‌کنند. با این بزرگ‌نمایی، گروه پژوهشی توانست توزیع غبار و گاز مولکولی را نقشه‌برداری کند و اثر انگشت‌های طیفی مورد انتظار از یک هسته فعال کهکشانی را کنار بگذارد.

پس اگر سیاه‌چاله عامل آن نیست، چه چیزی می‌تواند در اینجا نوترینو بسازد؟ در نواحی بسیار ستاره‌زا و غبارآلود، ستاره‌های پرجرم تازه‌متولدشده و بقایای ابرنواخترها پروتون‌ها و دیگر پرتوهای کیهانی را شتاب می‌دهند. این ذرات با گاز چگال برخورد می‌کنند و پیون می‌سازند، سپس واپاشی همان پیون‌ها نوترینو تولید می‌کند. فشردگی سایه‌افکن، یعنی جرمی عظیم در حجمی نسبتا کوچک، چنین برخوردهایی را بسیار محتمل‌تر می‌کند. فیزیک این فرایند آشفته، پرهرج‌ومرج و به‌شدت کارآمد در پنهان کردن انرژی پشت لایه‌های غبار است.

برخی نوترینوهای پرانرژی ممکن است در هسته‌های ستاره‌فشان پوشیده از غبار متولد شوند، نه فقط در فواره‌های سیاه‌چاله‌ها.

این تغییر نگاه اهمیت زیادی دارد. منابع شناخته‌شده نوترینو که با سیاه‌چاله‌ها ارتباط دارند، به تنهایی نمی‌توانند پس‌زمینه پراکنده نوترینوهای پرانرژی شناسایی‌شده در سراسر آسمان را توضیح دهند. مدل‌هایی که با در نظر گرفتن کهکشان‌های ستاره‌فشان فشرده و غبارآلودی مانند سایه‌افکن به‌روزرسانی شده‌اند، نشان می‌دهند این اجرام می‌توانند سهم چشمگیری داشته باشند، شاید تا حدود ۲۰ درصد از شار مشاهده‌شده، بر پایه برآوردهای این گروه. این سهم غالب نیست، اما قطعه‌ای مهم از پازل کیهانی است.

این کشف حاصل همکاری بین‌المللی بود: گروه‌هایی که از آیس‌کیوب برای آشکارسازی نوترینو، از آلما برای تصویربرداری از تابش رادیویی و از رصدهای تکمیلی برای کنار هم گذاشتن ساختار کهکشان استفاده کردند. نهادهایی از چندین کشور در این جست‌وجوی کارآگاهانه مشارکت داشتند. هر ابزار سرنخی متفاوت ارائه کرد، از زمان رسیدن نوترینو گرفته تا الگوی تصاویر عدسی‌شده که هسته فشرده را آشکار کرد.

هنوز پرسش‌های باز فراوانی وجود دارد. این ستاره‌فشان‌های فشرده و غبارآلود در انتقال‌به‌سرخ‌های بالا چقدر رایج‌اند؟ با چه بازدهی انفجارهای ستاره‌ای را به نوترینو تبدیل می‌کنند؟ و آیا ممکن است سازوکارهای پنهان دیگری در کار باشند که بی‌صدا خود را به شکل زایش ستاره‌ای نشان می‌دهند؟ آسمان رازهایش را خوب نگه می‌دارد، اما هر نوترینویی که ردش را تا سرچشمه دنبال می‌کنیم، یکی از آن رازها را اندکی بیشتر می‌گشاید.

سایه‌افکن یادآور این است که آتش‌بازی‌های کیهانی همیشه خود را با نور اعلام نمی‌کنند. گاهی در قالب ذرات نجوا می‌کنند و برای شنیدنشان به همه ابزارها، و کمی ترفند گرانشی، نیاز داریم.