کشف امواج رادیویی غیرمعمول زیر یخ های قطب جنوب؛ معمایی در فیزیک ذرات

امواج رادیویی عجیب زیر یخ‌های قطب جنوب شناسایی شد

در مسیر کشف پدیده‌های شگفت‌انگیز کیهان، دانشمندان با یکی از رازآلودترین معماهای نجومی دهه‌های اخیر روبه‌رو شده‌اند. نزدیک به بیست سال پیش، یک بالون پژوهشی ناسا که بر فراز قطب جنوب پرواز می‌کرد، انتشار موج رادیویی ناشناخته‌ای را که از اعماق صفحات یخی قطب جنوب منشأ گرفته بود، شناسایی کرد. این کشف عجیب که توسط آنتن گذرای قطبی آنتارکتیکا (ANITA) ثبت شد، دیدگاه‌های سنتی درباره فیزیک ذرات را به چالش کشید و جست‌وجویی جهانی برای یافتن پاسخ آغاز شد.

آزمایش ANITA: افشای رخدادی غیرمنتظره

ANITA یک رصدخانه رادیویی بالون‌سوار است که به طور خاص برای شناسایی بارش ذرات کیهانی پرانرژی از فضا طراحی شده است. در سال ۲۰۰۶، این بالون هنگام اسکن سرزمین‌های یخ‌زده قطب جنوب، پالس کوتاه و شدیدی از امواج رادیویی را ثبت کرد که برخلاف انتظار نه از بالا بلکه از پایین و از زیر صفحه یخ سرچشمه گرفته بود؛ گویی جمعی از ذرات پرانرژی از یخ خارج شده‌اند. این پدیده بلافاصله قابل توضیح نبود و چون تصویری وارونه از رویدادهای معمول ذرات کیهانی ظاهر شد، باعث شگفتی دانشمندان گردید.

این رخداد منحصر به فرد نبود؛ چراکه سیگنال مشابهی در پرواز ANITA در سال ۲۰۱۴ نیز مشاهده شد و راز این پدیده را عمیق‌تر کرد. با توجه به نبود فرایند اخترفیزیکی شناخته شده که با داده‌ها تطابق داشته باشد، دانشمندان احتمال دادند که نوع جدید و ناشناخته‌ای از ذرات زیراتمی در این فرایند دخیل باشد.

بررسی منشأ: راز ذرات زیراتمی

ستاره‌شناس استفنی ویسل از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا که روی این کشف کار کرده است، توضیح می‌دهد: «امواج رادیویی ثبت‌شده در زاویه‌ای بسیار تند، حدود ۳۰ درجه پایین‌تر از سطح یخ وارد شدند.» این ناهمخوانی هندسی راز ماجرا را پیچیده‌تر کرد، زیرا هیچ سازوکار روشنی برای منشأ گرفتن سیگنال‌ها و عبور آن‌ها از درون یخ متراکم قطب جنوب وجود نداشت.

یکی از فرضیات مطرح‌شده این بود که امواج رادیویی توسط نوترینو تاو، یکی از ذرات بنیادی و گریزان، ایجاد شده‌اند که با ورود به زمین، بدون برخورد از دل آن می‌گذرند و هنگام خروج از یخ پالس‌های رادیویی تولید می‌کنند. با این حال، این توضیح مشکلاتی داشت؛ زیرا نوترینوها بسیار نادر و کم‌برخورد هستند و شناسایی آن‌ها معمولاً به حجم عظیمی از ماده نیاز دارد. همچنین، تنها رویداد ثبت‌شده در سال ۲۰۱۴ با یک ابرنواختر فرضی که می‌تواند منشأ دوش نوترینویی باشد، ارتباط نشان داد و منبع مشابهی برای سیگنال سال ۲۰۰۶ یافت نشد.

رد فرضیه نوترینو؛ ANITA واقعاً چه دید؟

برای بررسی بیشتر موضوع، تیمی بین‌المللی از پژوهشگران داده‌های رصدخانه پیر اوژه در آرژانتین را که برای مطالعه پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی طراحی شده است، تحلیل کردند. آن‌ها شبیه‌سازی کردند که اگر سیگنال‌های رادیویی منحصر به فرد ANITA در داده‌های رصدخانه اوژه نیز دیده شود، چگونه خواهد بود و بیش از یک دهه داده‌های ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۸ را بررسی کردند. نتیجه این بود که هیچ سیگنال مشابهی شناسایی نشد؛ بنابراین دانشمندان نوترینوها را به‌عنوان منشأ رویدادهای رادیویی قطب جنوب کنار گذاشتند. اما حذف این گزینه، معما را عمیق‌تر کرد؛ چراکه هیچ ذره شناخته‌شده یا پدیده نجومی قابل قبولی باقی نماند.

ویسل می‌گوید: «در هر لحظه میلیاردها نوترینو بی‌برخورد از بدن شما عبور می‌کنند. اگر این سیگنال‌های نادر شناسایی شوند، معمولاً به معنای عبور ذره‌ای بسیار پرانرژی و شناسایی آن پس از طی مسیر طولانی است. اما در این مورد، هیچ توضیح متداولی پاسخگو نبود.»

مسیر پیش رو؛ ماموریت‌های جدید و جست‌وجوی پاسخ

با آخرین پرواز ANITA در سال ۲۰۱۶، اکنون امیدها به نسل جدید ابزارهای رصدی معطوف شده است. ماموریت جدید PUEO، بالون علمی قطب جنوب و جانشین ANITA، به‌زودی آغاز به کار خواهد کرد. این ماموریت با حساسیت و توانایی شناسایی بیشتر طراحی شده تا داده‌های گسترده‌تری درباره این رویدادهای پرانرژی و نامعمول کیهانی جمع‌آوری کند.

با نگاهی به آینده، ویسل امیدوار است: «این موضوع به یکی از معماهای ماندگار فیزیک ذرات نجومی تبدیل شده است. زمانی که ماموریت PUEO را به کار اندازیم، ابزارهای پیشرفته‌تر امکان شناسایی سیگنال‌های عجیب بیشتر یا حتی کشف منشأ واقعی آن‌ها را فراهم خواهد کرد. همچنین شاید برای اولین بار بتوانیم امضای نوترینوهای گریزان را نیز شکار کنیم و نگاهی جدید به پرانرژی‌ترین فرآیندهای کیهان بیندازیم.»

جمع‌بندی

ظهور پالس‌های اسرارآمیز رادیویی زیر یخ‌های قطب جنوب همچنان بزرگ‌ترین چالش را پیش روی دانشمندان فیزیک ذرات و اخترفیزیک قرار داده است. چه این سیگنال‌ها بیانگر کشف ذرات کاملاً جدید باشند یا به پدیده‌ای ناشناخته در انتشار امواج رادیویی مرتبط شوند، مطالعه آن‌ها زمینه‌ساز نوآوری‌های فناورانه و عرصه‌ای نو در کاوش‌های کیهانی شده است. تنها با رصدهای بیشتر و پیشرفت ابزارهایی چون ماموریت PUEO است که محققان می‌توانند اسرار نهفته در عمق جنوبی‌ترین قاره زمین را کشف کنند و شاید مرزهای دانش ما را از جهان بازتعریف نمایند.