10 دقیقه
ضربهٔ ذرهٔ نادر نشان‌دهندهٔ انفجار یک سیاهچالهٔ اولیه
یک ذرهٔ بسیار کوچک که در سال 2023 ثبت شد، انرژیِ بی‌سابقه‌ای در حدود 220 پتاالکترون‌ولت (PeV) از خود نشان داد. این رویداد که با برچسب KM3-230213A شناخته میشود، به‌مراتب از رکورد قبلی یعنی حدود 10 PeV فراتر رفت و موجی از کارهای نظری تازه را برای شناسایی منبع آن برانگیخت. در مقالهٔ جدیدی از دانشمندان مؤسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT)، الکساندرا کلیپفل و دیوید کایزر پیشنهاد می‌دهند که KM3-230213A ممکن است آخرین انفجار تابش هاوکینگ از یک سیاهچالهٔ اولیهٔ در حال تبخیر باشد. اگر این تفسیر تأیید شود، ارتباطی مستقیم بین مشاهدات نوترینوهای پرانرژی و دو معمای بنیادین اخترفیزیک مدرن برقرار خواهد شد: تابش هاوکینگ و ماهیت مادهٔ تاریک.
پیش‌زمینهٔ علمی: نوترینوها، رویدادهای پیاِو و سیاهچالههای نخستین
نوترینوها ذراتی بی‌بار و تقریباً بدون جرم هستند که در تعداد بسیار زیاد توسط فرایندهای پرانرژی کیهانی مانند همجوشی درون ستارگان، انفجارهای ابرنواختری و برخوردهای ذره‌ای تولید می‌شوند. تعامل بسیار ضعیف آنها با ماده باعث میشود نوترینوها بتوانند مسافت‌های کیهانی را بدون کاهش انرژی یا پراکندگی قابل‌توجه طی کنند؛ اما همین خاصیت، آشکارسازی آنها را بسیار دشوار میکند. آشکارسازهای حجیم که در زیر یخ یا آب‌های عمیق پنهان شده‌اند — مانند IceCube در قطب جنوب و شبکهٔ در حال توسعهٔ KM3NeT در دریای مدیترانه — برای ثبت برخوردهای نادر طراحی شده‌اند که ورود نوترینو و انرژی آن را آشکار می‌کنند.
نوترینوهای پرانرژی اطلاعات مهمی دربارهٔ محیط‌ها یا سازوکارهای فوق‌العاده‌ای که آنها را تولید می‌کنند به ما می‌دهند: هرچه انرژی نوترینو بالاتر باشد، موتور تولیدکنندهٔ آن پرانرژی‌تر یا عجیب‌تر است. رویداد KM3-230213A با انرژی 220 PeV استثنایی به شمار می‌رود. برای توضیح چنین سیگنالی، کلیپفل و کایزر منبعی کمتر متداول را بررسی می‌کنند: سیاهچالههای نخستین یا اولیه (PBHs).
سیاهچالههای نخستین اجسام فرضی هستند که ممکن است از نوسانات چگالی در لحظات نخستین پس از انفجارِ بزرگ شکل گرفته باشند. بر خلاف سیاه‌چاله‌هایی که از مرگ ستارگان به‌وجود می‌آیند، PBHها میتوانند در گسترهٔ جرم وسیعی شکل گرفته باشند — از مقیاس میکروسکوپی تا اندازهٔ اجرام شبیه سیارک. طبق نظریهٔ کوانتومی که در نزدیکی افق رویداد یک سیاه‌چاله کاربرد دارد، سیاهچالهها باید تابشی از خود ساطع کنند که به نام تابش هاوکینگ شناخته میشود. هرچه جرم سیاه‌چاله کمتر باشد، تابش آن شدیدتر و زمان تبخیر کوتاه‌تر خواهد بود؛ در لحظات پایانی زندگی یک سیاهچالهٔ کوچک انتظار می‌رود که انفجار نسبتاً شدیدی از ذرات پرانرژی رخ دهد.
محاسبهٔ یک انفجار نهایی
کلیپفل و کایزر طی مدلسازی نهایی طیف تابش هاوکینگ از یک PBH در حال کوچک شدن، تخمین زدند که تعداد ذرات تولیدشده در آخرین نانوثانیهٔ زندگی آن چگونه خواهد بود. آنها به این نتیجه رسیدند که یک PBH در حال مرگ با جرمی تقریباً معادل جرم یک سیارک کوچک میتواند در حدود 10^21 (یک سکستیلیون) نوترینو با انرژی‌هایی در حدّ KM3-230213A منتشر کند. برای آنکه چنین نوترینویی با طیف انرژی مذکور به زمین برسد و آشکار شود، انفجار PBH باید در فاصله‌ای در حدود 2,000 واحد نجومی (AU) رخ دهد — چیزی حدود 3 درصد از یک سال نوری — که به‌راحتی درون ابر اُرت منظومهٔ شمسی قرار می‌گیرد.
نویسندگان احتمال اینکه یک انفجار PBH نزدیک بتواند نوترینویی با انرژی 220 PeV تولید کند و در زمین آشکار شود را کمی کمتر از 8 درصد برآورد کردند. کایزر می‌گوید: «احتمال 8 درصد خیلی بالا نیست، اما در حدی است که باید آن را جدی بگیریم.» او اضافه میکند که تا کنون هیچ توضیح دیگری وجود ندارد که هم رویدادهای خیلی‌پرانرژی و هم رویدادهای فوق‌العاده‌پرانرژی ثبتشده را به‌خوبی توجیه کند.
برای درک بهتر مرزها: نوترینوهای 220 PeV بسیار نادرند، و نرخ برهمکنش آنها با ماده به‌شدت پایین است؛ اما وقتی یکی از آنها با یکی از فوتون‌ها یا نوکلئون‌های درون آشکارساز برخورد کند، ردِ انرژیِ عظیمی برجای می‌گذارد که قابل اندازه‌گیری است. مدل‌های کلیپفل و کایزر جزئیات طیف انرژی نهایی و توزیع زاویه‌ای ذرات را نیز در نظر گرفتند تا احتمال تشخیص و جهت‌گیری منشأ را برآورد کنند.
پیامدها برای مادهٔ تاریک و اخترفیزیکِ ذرات
فرضیهٔ کلیدی در مطالعهٔ MIT این است که سیاهچالههای نخستین بخش قابل‌توجهی — و در نسخه‌هایی از این فرضیه، اکثریت — مادهٔ تاریک جهان را تشکیل دهند. اگر PBHها بیشترِ مادهٔ تاریک را تشکیل دهند، باید تعداد اندکی از آنها هنوز امروزه در حال تبخیر باشند و برخی آن‌قدر نزدیک باشند که فوران‌های قابل‌ردیابی ایجاد کنند. این نقش دوگانه میتواند بهطور همزمان دو معما را حل کند: فراهم آوردن شواهد آزمایشی برای تابش هاوکینگ و ارائهٔ یک نامزد عملی برای مادهٔ تاریک.
این کار همچنین توضیحی طبیعی برای رویدادهای نوترینوی کم‌انرژی‌تر ارائه میدهد. PBHهای دوردست که در فواصل کیهانی منفجر می‌شوند میتوانند پس‌زمینهٔ پراکنده‌ای از نوترینوهای پرانرژی تولید کنند که در آشکارسازهای کنونی به‌صورت یک «همهمهٔ ضعیف» دیده میشود. انفجار نادر و نزدیکِ لازم برای KM3-230213A در این دیدگاه یک رخداد پرتکرار از همان جمعیت است، اما از میان جمعیتی که توزیع گسترده‌ای در فاصله و جرم دارند، یک مورد نادر به‌صورت برجسته ظاهر شده است.
از نظر فیزیک ذرات، تابش هایوکینگ طیف گسترده‌ای از ذرات تولید میکند: از فوتون‌ها و نوترینوها تا انواع دیگر باریون‌ها و لپتون‌ها، بسته به دما و جرم سیاه‌چاله در آن لحظات پایانی. بررسی ترکیب ذرات منتشرشده میتواند سرنخهایی دربارهٔ فرایندهای کوانتومی نزدیک افق رویداد و همچنین محدودیت‌هایی بر طیف انرژی ممکن برای تابش‌ها ارائه کند.
زمینهٔ تجربی و افق‌های آشکارسازی
رصدخانه‌های نوترینوی مدرن مانند IceCube (قطب جنوب) و KM3NeT (مدیترانه) حجم‌های عظیمی را زیر نظر دارند تا این رویدادهای نادر را شکار کنند. مقالهٔ MIT مکمل ارتقاءها و توسعهٔ آشکارسازهای جدید است که برای افزایش حساسیت در بازهٔ انرژی PeV تا EeV طراحی شده‌اند. جدا از آن، تحلیل نظری دیگری اخیراً احتمال بالایی (حدود 90 درصد) برای آشکارسازی یک PBH در حال انفجار در طی یک دههٔ آینده با فرض بهبودهای مورد انتظار در آشکارسازها و پوشش رصدی پیشنهاد کرده است. ترکیب این مطالعات انگیزهٔ جستجوهای هدفمند برای همزمانی نوترینوها و دیگر نشانههای انفجاری درون منظومهٔ شمسی و پیرامون آن را افزایش میدهد.
ارتقای حساسیت یعنی توانایی ثبت نوترینوهای با نرخ برخورد بسیار کم و تفکیک آنها از پس‌زمینه‌های زمینی و کیهانی. از منظر عملی، بهبود حجم مؤثر آشکارساز، کاهش نویز پس‌زمینه، و توسعهٔ الگوریتم‌های تشخیص حادثه با یادگیری ماشین میتواند نرخ کشف این رویدادها را بالا ببرد. علاوه بر نوترینو، رصدهای همزمان در باند گاما، پرتوهای کیهانی بارگذاری‌شده و حتی جزرومدهای گرانشی ممکن است اطلاعات مکملی فراهم کنند.
دیدگاه یک متخصص
دکتر مایا آلوارز، اخترفیزیک‌دانی که در میدان گذراهای پرانرژی تخصص دارد، اظهار می‌دارد: «فرض اینکه یک سیاهچالهٔ نخستین کوچک بتواند بهطور موقت منابع اخترفیزیکی معمول را در تولید نوترینو تحت‌الشعاع قرار دهد، ایده‌ای تحریک‌آمیز و قابل‌آزمایش است. احتمال 8 درصد برای یک رویداد نزدیک کم است اما معنادار؛ زیرا به آزمایش‌ها یک استراتژی جستجوی مشخص میدهد. باید به دنبال نشانههای چندپیامرسان — نوترینوهایی که همزمان با پرتوهای گاما یا فوران‌های ذرات باردار می‌آیند — باشیم و مدل‌های توزیع مکانی PBHها در ناحیهٔ ابر اُرت را دقیق‌تر کنیم.»
گفت‌وگوهای تخصصی همچنین بر اهمیت تفکیک منشاءهای محلی و کیهانی تأکید می‌کنند. یک انفجار PBH درون منظومهٔ شمسی پیامدهای متفاوتی در زمان‌بندی، جهت‌پذیری و طیف انرژی نسبت به منابع کهکشانی خواهد داشت؛ از این رو الگوریتم‌های تحلیل داده باید حساسیت به همزمانی زمانی و زاویه‌ای را افزایش دهند تا احتمال کشف را تقویت کنند.
ملاحظات کلیدی و گام‌های بعدی
این فرضیه همچنان در حوزهٔ حدس و گمان است و بر چندین فرضِ اثبات‌نشده متکی است: فراوانی سیاهچالههای نخستین، طیف دقیق ذرات حالت نهایی تابش هاوکینگ و تفسیر آماری رخدادهای نادر نوترینویی. تأیید قوی نیازمند مشاهدهٔ چندین نشت نوترینویی مستقل با طیفهای سازگار یا شواهد الکترومغناطیسی یا گرانشی تاییدکنندهٔ انفجار یک PBH نزدیک خواهد بود.
کلیپفل می‌گوید که این موقعیت علمی فرصتی فراهم می‌آورد: «مشخص میشود سناریویی وجود دارد که همه‌چیز با هم همراستا میشود؛ نه‌تنها می‌توانیم نشان دهیم که بیشتر مادهٔ تاریک در این سناریو از PBHها تشکیل شده، بلکه می‌توانیم این نوترینوهای پرانرژی را از انفجار تصادفی یک PBH نزدیک تولید کنیم. حالا چیزی داریم که می‌توانیم با آزمایش‌های مختلف به‌دنبال آن بگردیم و تلاش کنیم آن را تأیید کنیم.»
از منظر نظری، گسترش محاسبات طیف تابش‌هاوکینگ و مدلسازی توزیع فضایی PBHها به‌ویژه در محیط مداری دور ستاره‌ای مثل ناحیهٔ ابر اُرت، لازم است. از نظر رصدی، هم‌افزایی بین رصدخانه‌های نوترینو، ماهواره‌های رصد پرتو گاما و شبکه‌های پایش پرتوهای کیهانی میتواند توان تشخیصی را بهطور چشمگیری افزایش دهد.
نتیجه‌گیری
پیشنهاد اینکه KM3-230213A ممکن است فریاد آخر یک سیاهچالهٔ نخستین باشد، پلی جذاب بین فیزیک نظری و اخترفیزیک رصدی می‌زند. تأیید تابش هاوکینگ و فرضیهٔ مادهٔ تاریکِ متشکل از PBHها پیامدهای تحول‌آفرینی خواهد داشت؛ اما برای رسیدن به این نقطه نیازمند دادههای بیشتر، جستجوهای هماهنگ چندپیامرسان و بهبود مداوم توان آشکارسازی نوترینو هستیم. تا آن زمان، این ایده یک هدف قابل‌ردگیری و انگیزه‌ای تازه برای گسترش حساسیت و پوشش رصدخانه‌های نوترینو در سرتاسر جهان فراهم میکند — و در عین حال آزمونی روشن برای نظریههای نو در فیزیک بنیادی ارائه میدهد.
منبع: journals.aps
نظرات