8 دقیقه
نوترینوی بی‌سابقه ممکن است آخرین انفجار یک سیاهچالهٔ اولیه باشد
یک نوترینوی استثنایی با انرژی تخمینی 220 پتاالکترونولت (PeV) — که به‌طور چشم‌گیری بالاتر از رکورد قبلی 10 PeV است — ممکن است آخرین پالس تابشی یک سیاهچالهٔ نخستین در حال تبخیر باشد، طبق یک مطالعهٔ نظری تازه. رویداد ثبت‌شده با شناسهٔ KM3-230213A و مشاهده‌شده توسط شبکهٔ آشکارساز KM3NeT/ARCA، مدلهای مرسوم منشأ نوترینوهای فوقالعاده پرانرژی را به چالش کشیده و امکان جالبی را مطرح کرده است: اینکه تابش هاوکینگ از یک سیاهچالهٔ در حال مرگ، این ذره را تولید کرده باشد.
انرژی بسیار بالای KM3-230213A دانشمندان را وادار می‌کند تا مکانیزم‌های نادر یا نوینی را برای تولید ذرات دوباره بررسی کنند. در تحلیل جدید، فیزیک‌دانان الکساندرا کلیپفل و دیوید رایزر (MIT) تبخیر هاوکینگِ سیاهچالههای کوچک و نخستینی (PBHها) را مدل‌سازی کردند و برآورد کردند که در لحظات پایانی یک سیاه‌چاله چه مقدار نوترینو تولید میشود. نتایج آنها نشان می‌دهد که یک PBH کوچک در ثانیهٔ آخر عمر خود میتواند تعداد بسیار زیادی نوترینو ساطع کند و بخشی قابل‌مشاهده از این نوترینوها در بازهٔ انرژی PeV تا صدها PeV قرار گیرد.
زمینهٔ علمی: سیاهچالههای نخستین و تابش هاوکینگ
سیاهچالههای نخستین اجسامی فرضی هستند که ممکن است از نوسانات چگالی بسیار زودهنگام در نخستین ثانیه‌های پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته باشند. برخلاف سیاهچالههای ستاره‌ای، PBHها میتوانند جرم‌هایی بسیار پایین‌تر داشته باشند — تا مقیاس سیارکی یا کوچک‌تر — و بر اثر تابش هاوکینگ، فرآیندی کوانتومی که توسط استیون هاوکینگ پیشنهاد شد، به تدریج جرم خود را از دست دهند و تبخیر شوند. هرچه سیاه‌چاله کوچک‌تر باشد، انرژی مشخصهٔ تابش‌های نهایی آن بالاتر است؛ تبخیر نهایی ممکن است به‌صورت یک انفجار سریع از ذرات پرانرژی ظاهر شود.
تصویر بصری از رویداد نوترینوی فوقالعاده پرانرژی مشاهده‌شده در KM3NeT/ARCA. (KM3NeT)
کلیپفل و رایزر نشان می‌دهند که یک PBH با جرم در مقیاس یک سیارک میتواند در نظریه به‌طور تقریبی در ثانیهٔ آخر خود حدود 10^21 (یک سکستیلیون) نوترینو گسیل کند — به میزانی که یکی از آن نوترینوها میتواند با انرژی ثبت‌شدهٔ KM3-230213A به زمین برخورد کند، مشروط بر اینکه انفجار در مقیاس‌های کیهانی نسبتاً نزدیک رخ داده باشد. این برآوردها شامل مدلهای طیفی تابش و فرضیات مربوط به طیف انرژی ذرات تولیدشده در فرایند تبخیر است و حساسیت نتایج به پارامترهای مدل را نیز بررسی میکنند.
فاصلهٔ قابلِ کشف و احتمال وقوع
برای اینکه نوترینویی با انرژی KM3-230213A بتواند زمین را ببیند، انفجار PBH باید در فاصلهٔ حدود 2,000 واحد نجومی (AU) رخ دهد، یعنی تقریباً 3 درصد یک سال نوری — فاصله‌ای که درون ابر اُرت منظومهٔ شمسی قرار می‌گیرد. در سناریویی که بخش قابلتوجهی از مادهٔ تاریک را سیاهچالههای نخستین تشکیل داده باشند، نویسندگان احتمال تشخیص اندکی زیر 8 درصد را برای حداقل یکی از این تبخیرهای PBH نزدیک که رویدادی مشابه KM3-230213A تولید کند، تخمین می‌زنند. هرچند این احتمال زیاد نیست، اما به‌اندازه‌ای قابل‌توجه است که جستجوهای هدفمند را توجیه می‌کند و مبنایی برای طراحی آزمون‌های تجربی میشود.
در این محاسبات عوامل متعددی لحاظ شده‌اند: توزیع مکانی PBHها، فراوانی جرمی آنها، انواع مسیرهای تابشی داخلی (مثلاً تبدیل کواریق‌ها به نوترینوها) و کاهش‌های احتمالی طی ارسال ذرات در فضا. همچنین نویسندگان سناریوهای جایگزین و محدودیت‌های مشاهده‌ای قبلی را بررسی کرده‌اند تا نشان دهند آیا این توضیح با داده‌های فعلی سازگار است یا نیاز به تنظیم پارامترها دارد.
زمینهٔ آشکارسازی و پیامدها برای مادهٔ تاریک
KM3NeT/ARCA و دیگر رصدخانه‌های نوترینویی برای ثبت برخوردهای نادر و پرانرژی نوترینو طراحی شده‌اند؛ این آشکارسازها در آب‌های عمیق یا یخ دفن شده‌اند تا نور چرنکوف حاصل از ذرات تولیدشده در برخورد نوترینوها را تشخیص دهند. ستاره‌شناسی نوترینویی پلی میان فیزیک ذرات و اخترفیزیک ایجاد می‌کند، زیرا نوترینوها عمدتاً بدون اختلال از فواصل کیهانی عبور میکنند و اطلاعات مستقیمی دربارهٔ فرآیندهای بسیار پرتراکم و پرانرژی در منابع خود حمل میکنند.
اگر توضیح PBH-هاوکینگ برای KM3-230213A تأیید شود، پیامد آن تحول‌آفرین خواهد بود: این میتواند نخستین شواهد مشاهده‌ای مستقیم از تابش هاوکینگ باشد و همچنین از ایدهٔ مشارکت بخشی از مادهٔ تاریک توسط سیاهچالههای نخستین پشتیبانی کند. نویسندگان همچنین استدلال میکنند که رویدادهای نوترینویی با انرژی کمتر در محدودهٔ PeV ممکن است از تبخیرهای PBH دورتر ناشی شوند و در مجموع پس‌زمینه‌ای از نوترینوهای پرانرژی را از PBHها در کهکشان و فراتر از آن تولید کنند.
این ادعا جاه‌طلبانه است و نیازمند تأییدهای مشاهده‌ای بیشتر است. همان‌طور که دیوید رایزر اشاره می‌کند، «احتمال 8 درصد زیاد نیست، اما در محدوده‌ای قرار دارد که باید آن را جدی گرفت — به‌خصوص چون تاکنون هیچ توضیح دیگری یافت نشده که هم نوترینوهای بسیار پرانرژیِ توضیح‌ناپذیر و هم رویداد فوقالعاده پرانرژی مانند KM3-230213A را توأماً توضیح دهد.» الکساندرا کلیپفل اضافه می‌کند که این سناریو مجموعه‌ای مشخص از سیگنال‌ها ارائه می‌دهد که آزمایش‌ها میتوانند در آینده آنها را آزمون کنند، از جمله جستجوی همزمان برای تابش گاما و الگوهای آماری افزایش نوترینوهای PeV.
علاوه بر این، سنجه‌های آماری و تحلیل پسزمینه برای تعیین احتمال تصادفی بودن رویداد ضروری است. تیم پژوهشی پیشنهاد می‌کند که ترکیب دادهها از چند آشکارساز و انجام جستجوهای همزمان چندرسانه‌ای (multi-messenger) میتواند قدرت تشخیص را افزایش دهد و امکان رد یا تأیید سناریوی PBH را فراهم سازد. این رویکرد شامل بررسی داده‌های آرشیوی برای سیگنالهای گذرای همراه و کاهش اشتباهات پسزمینه است.
بینشِ کارشناسی
دکتر مایا آر. سینگ، اخترفیزیک‌دانی متخصص در نجوم ذرات پرانرژی، می‌گوید: «احتمال اینکه یک سیاهچالهٔ نخستین نزدیک تبخیر شده و KM3-230213A را تولید کرده باشد، وسوسه‌انگیز است، زیرا چندین مسئلهٔ حل‌نشده — منشأ نوترینوها، تابش هاوکینگ و مادهٔ تاریک — را به‌صورتی قابل آزمون به هم پیوند می‌دهد. گام‌های بعدی روشن‌اند: افزایش حساسیت و زمان مشاهده با آشکارسازهای موجود، بررسی تقاطعی با رصدخانه‌های مکمل، و پالایش مدلهای جمعیت و توزیع فضایی PBHها. آشکارسازی سیگنالهای همبسته (برای مثال، پرتوهای گاما یا مازاد آماری نوترینوهای PeV) میتواند به‌طور قابلتوجهی استدلال را تقویت کند.»
سینگ به‌طور خاص بر اهمیت همکاری بین‌المللی و تبادل سریع دادهها بین رصدخانه‌ها تأکید می‌کند، زیرا رویدادهای گذرا و نادر نیاز به واکنش سریع و بررسی چندرسانه‌ای دارند. او همچنین پیشنهاد می‌دهد که توسعهٔ مدلهای پیش‌بینی‌کنندهٔ قابل‌تأیید و تولید مجموعه‌های دادهٔ مصنوعی برای آزمون زودهنگام الگوریتم‌های شناسایی میتواند کارایی جستجوها را افزایش دهد.
نتیجه‌گیری
فرضیهٔ اینکه یک سیاهچالهٔ نخستین در حال انفجار KM3-230213A را تولید کرده است، توضیحی زیبا ارائه می‌دهد که فیزیک کوانتومی سیاهچالهها را با ستاره‌شناسی نوترینویی و پژوهش‌های مادهٔ تاریک پیوند می‌دهد. این سناریو همچنان فرضی اما قابل‌آزمون است. رصدهای نوترینویی آینده، بهبود آمار رویدادها و جستجوهای بین‌رشته‌ای برای پدیده‌های گذرای پرانرژی حیاتی خواهند بود تا مشخص شود آیا تابش هاوکینگ سرانجام دیده شده یا اینکه موتور اخترفیزیکی دیگری — که هنوز کشف نشده — این نوترینوی رکوردشکن را تولید کرده است.
به‌طور عملی، این خط تحقیق روشهایی را برای پیشرفت علم پیشنهاد می‌دهد: توسعهٔ حساسیت آشکارسازها در باندهای PeV–EeV، هماهنگی جهانی بین رصدخانه‌ها برای پوشش همزمان، و مدل‌سازی جامع‌تر از توزیع مکانی و جرمی PBHها. همچنین، هرگونه تأیید مشاهده‌ای تابش هاوکینگ میتواند پیامدهای عمیقی برای نظریه‌های گرانشی کوانتومی و مدلهای کیهان‌شناسی اولیه داشته باشد و پنجرهٔ جدیدی به فهم آغاز جهان و ماهیت مادهٔ تاریک بگشاید.»
منبع: sciencealert
نظرات