8 دقیقه
چیزی خارقالعاده روی آشکارسازهای کف دریای مدیترانه ظاهر شد: نوترینویی آنقدر پرانرژی که فیزیکدانان را واداشت بپرسند آیا یک سیاهچالهٔ بسیار کوچک و باستانی بهتازگی منفجر شده است؟ پاسخ کوتاه: شاید. جواب مفصلتر اما پیچیدهتر، جالبتر و همان معمایی است که دانشمندان را تا دیر وقت بیدار نگه میدارد.
در سال 2023 رصدخانهٔ KM3NeT ذرهای غیرعادی و قوی را ثبت کرد که با شناسهٔ KM3-230213A فهرست شد. این نوترینو حامل انرژی در محدودهٔ پتاالکترونولت (PeV) بود—چندین مرتبه بالاتر از نوترینوهای خورشیدی کمانرژی و فراتر از محدودهای که شتابدهندههای ساختهٔ دست بشر میتوانند بهدست آورند. یک ذرهٔ منفرد و شبحوار که عملاً بدون پراکندگی از فواصل کیهانی عبور میکند، میتواند اثر انگشت یک رویداد اخترفیزیکی عجیب و نادر باشد.
چه چیزی دیده شد و چرا اهمیت دارد
نوترینوها ماهیتی بسیار کمابهام دارند؛ آنها با ماده طوری تعامل میکنند که گرفتنشان نیازمند ابزارهایی به وسعت دریاها و صفحات یخی است. KM3NeT که در زیر آبهای مدیترانه تعبیه شده، برای رصد چشمکهای ضعیفی که هنگام برخورد نوترینوها به ماده تولید میشود، تنظیم شده است. KM3-230213A نه تنها از نظر انرژی استثنایی بود، بلکه پرسشهای عمیقی را برمیانگیزد: کدام موتور اخترفیزیکی میتواند نوترینویی در گسترهٔ بیش از 100 پتاالکترونولت تولید یا شتاب دهد؟
دانشمندان فهرست کوتاهی از مظنونان معمولی دارند: انفجارهای پرتو گاما (GRB)، هستههای فعال کهکشانی (AGN)، برخورد سیاهچالهها و فورانهای ناشی از تپاخترها (پالسرها). هیچکدام نتوانستهاند تمام ویژگیهای KM3-230213A را کامل توجیه کنند. بنابراین گروهی از نظریهپردازان به کاندیدای کمتر متداولی—سیاهچالههای اولیه یا ابتدایی (PBH)—روی آوردند و مکانیزمی را پیشنهاد دادند که بر تابش هاوکینگ و یک پیچش کوانتومی ظریف تکیه دارد.
سیاهچالههای اولیه، تابش هاوکینگ و انفجار نهایی
سیاهچالههای اولیه فرضی هستند. برخلاف سیاهچالههای ستارهای که از مرگ ستارگان شکل میگیرند، PBHها ممکن است از تراکمهای فوقالعادهٔ چگالی در عصر نوزادی کیهان، لحظاتی پس از مهبانگ، متراکم شده باشند. آنها در مقایسه با بقایای ستارهای بسیار کوچکتر—شاید برای چشم روزمره میکروسکوپی—اما از نظر چگالی غیرقابلتصورند.
استیون هاوکینگ نشان داد که سیاهچالهها کاملاً سیاه نیستند: اثرات کوانتومی به آنها اجازه میدهد ذراتی از خود نشر دهند، فرایندی که تابش هاوکینگ نامیده میشود. برای سیاهچالههای عظیم این تابش ناچیز است؛ اما برای سیاهچالههای بسیار کوچک میتواند شدید باشد. وقتی یک PBH جرم خود را از دست میدهد، دمای آن افزایش مییابد و تابش بیشتری تولید میکند و در نهایت وارد فازی میشود که به تبخیر سریع و پرانرژی میانجامد. آن انفجار نهایی همان جرقهٔ نظری است که میتواند منبع نوترینوهای فوقالعادهپُرانرژی باشد.
مطالعهای که بهتازگی در Physical Review Letters منتشر شد پیشنهاد میکند که برخی PBHها ممکن است ویژگی اضافیای داشته باشند—یک «بار تاریک» یا شارژ تاریک—که از تبخیر آنها بهشکلی که برای PBHهای بدونبار رخ میدهد جلوگیری میکند. این PBHهای شبه-اکستریمال در یک حالت ناپایدارِ متاستابل معلق میمانند و تنها گهگاه در یک انفجار نهایی و خشونتآمیز منفجر میشوند. در طی آن فلش نهایی، ذرات استاندارد و گونههای فرضی سنگین میتوانند به فراوانی تولید شوند، از جمله نوترینوهایی با انرژیهای اپتتا (PeV) و بالاتر.
چرا KM3NeT آن را دید اما IceCube نه
درون دادهها یک معما نهفته است: IceCube، آرایهٔ نوترینویی مستقر در قطب جنوب که بیش از دو دهه آسمان را پایش کرده و چندین رویداد چند-پتاالکترونولتی ثبت نموده است، چیزی مشابه KM3-230213A را ثبت نکرده است. بخشی از این اختلاف ناشی از حساسیت ابزارها و پنجرههای انرژی است. IceCube و KM3NeT برای اهداف متفاوتی بهینهسازی شدهاند؛ حساسیت عملی IceCube در انرژیهای بسیار بالا کاهش مییابد. اگر انفجارهای PBH نادر و جهتدار باشند و اگر آنها در بازههای انرژیای رخ دهند که آشکارسازهای مدیترانه در آنها برتری دارند، KM3NeT ممکن است چیزی را بگیرد که IceCube از آن غافل میماند.
محققان مدل PBHهای شبهاکستریمال استدلال میکنند که جمعیتی از PBHهای حامل شارژ تاریک که گهگاه انفجارهای نهایی را تجربه میکنند میتوانند تعداد معدودی نوترینوی در مقیاس پتاالکترونولت مشاهدهشده را بدون نقض محدودیتهای اخترفیزیکی دیگر تولید کنند. در تصویر آنها، این PBHها بهطور مداوم به کیهان فریاد نمیزنند؛ بلکه نادر اما بهطرز دراماتیکی فوران میکنند و در یک ثانیهٔ نهایی آبشاری از ذرات تولید میشود که لحظهای آشکارسازهای تنظیمشده روی انرژی مناسب را نورانی میسازد.
پیامدها و توضیحات جایگزین
اگر تبخیر PBH مسئول این رویداد باشد، پیامدها عمیق خواهد بود. ما شواهد مشاهداتی مستقیمی برای سیاهچالههایی که در اوایل کیهان شکل گرفتهاند خواهیم داشت، یک کانال جدید برای تولید ذرات پُرانرژی و یک دستاویز تجربی برای مطالعهٔ تابش هاوکینگ. همچنین این نتیجه میتواند سرنخی از فیزیک فرابُِنی ارائه دهد—ذرات بخش تاریک، حالتهای باردار سنگین، یا گونههای عجیب دیگری که در طی انفجار منتشر میشوند.
با این حال، ادعاهای فوقالعاده نیازمند بررسیهای دقیق متقابلاند. توضیحات دیگری هم همچنان ممکناند: منابع گذرای اخترفیزیکی که هنوز آنها را نمیشناسیم، نوسانات آماری، یا فیزیک نوین در هستههای فعال کهکشانی. عدم وجود یک امضای همزمان پرتو گاما یا دیگر تابشهای الکترومغناطیسی، تصویر را پیچیده میکند. یک انفجار PBH میتواند تعداد زیادی ذره تولید کند که هرگز بهطور قابلتوجهی با میدانهای الکترومغناطیسی برهمکنش نمیکنند، در حالی که منابع مرسوم معمولاً در چندین باند طیف تابناک میشوند.
راهبردهای رصدی و چشمانداز آینده
آزمون فرضیهٔ PBH نیازمند رصدهای هماهنگ و همزمان است. ادامهٔ عملیات و ارتقاء KM3NeT، IceCube و آشکارسازهای نسل بعدی پوشش انرژی را گسترش داده و دقت نشانهگیری را بهبود خواهد بخشید. کمپینهای چندپیکره (multi-messenger) که هشدارهای نوترینویی را با رصدهای پرتو گاما، پرتو ایکس و اپتیکی پیوند میدهند میتوانند سریعاً منابع گذرای مرسوم را رد یا تأیید کنند. کار نظری نیز باید طیفهای انفجاری تولیدشده توسط PBHهای شبهاکستریمال را دقیقتر کند تا تیمهای رصدی بدانند دقیقاً به دنبال چه ویژگیهایی بگردند.
در عمل، این به معنی هماهنگی بین کنسرسیومهای بینالمللی، زمانبندی رصدی برای پیگیری فوری آلارمها و توسعهٔ نرمافزارهای تحلیل آنی داده است. همچنین مقایسهٔ آماری بین نرخ رویدادهای ثبتشده در IceCube، KM3NeT، Baikal-GVD و دیگر رصدخانهها میتواند محدودیتهای قویتری بر فراوانی و مکانیزم تولید PBHها بگذارد. آشکارسازهای آینده مانند IceCube-Gen2 و P-ONE (Pacific Ocean Neutrino Experiment) و بهینهسازیهای آتی در تحلیل پسزمینه و تفکیک رویدادها احتمال کشف یا رد مدل PBH را افزایش میدهد.
دیدگاه یک کارشناس
"یک نوترینوی پتاالکترونولت تنها یک خردهنان است، نه یک نقشهٔ کامل،" میگوید دکتر لینا اورتگا، اخترفیزیکدانی در مؤسسهٔ مطالعات کیهانی. "اما خردهنان به جایی جذاب اشاره میکند. اگر سیاهچالههای اولیه دخیل باشند، ما در حال مشاهدهٔ فیزیکی هستیم که لحظات نخستین کیهان را به فرایندهای ذرهای متصل میکند که امروزه میتوانیم آنها را آزمایش کنیم. این میتواند چند فصل از کیهانشناسی را بازنویسی کند—و بهخاطر همین است که ما همچنان این مسئله را پیگیری میکنیم."
اعتبارسنجی چنین ادعاهایی نیازمند صبر و رویدادهای بیشتر است. پدیدههای نادر و پُرانرژی نیازمند زمانی در گسترهٔ سالها—و گاه دههها—برای رصد هستند. با این حال، هر آشکارساز جدید و هر بهبود جزئی در حساسیت، شانس ثبت فلش بعدی را افزایش میدهد.
چه KM3-230213A نشانهای از یک سیاهچالهٔ اولیه در حال مرگ باشد، چه موتور اخترفیزیکی جدیدی یا چیزی حتی غیرمنتظرهتر، این رویداد نشان میدهد که چگونه یک ذرهٔ منفرد میتواند سلسلهای از ایدهها را برانگیزد. شکار نوترینوی بعدی در مقیاس PeV آغاز شده و با آن فرصتِ دیدن فیزیکِ لحظات آغازین کیهان نیز همراه است.
منبع: sciencealert
نظرات
امیر_x
یک ذره، یک راز؛ علم همینجاست، یکی ثبت میکنه و بحث شروع میشه. باید منتظر آمارهای بعدی باشیم، عجله ممنوع.
مهدی
خیلی از این حرفا شبیه داستانای علمی تخیلیه، اما خب اگه با دادههای بیشتر تأیید بشه درش میزنم، فعلا کمی اغراق شده بنظرم
آستروست
واقعاً میشه به یه نوترینو گیر کرد که نشوندهنده انفجار PBH باشه؟ بعیده مگر مدلها قویتر بشن، یا شاید آمار ساده اشتباهه...
دیتاپا
وااای این چی بود؟ نوترینوی PeV توی دریا... اگه سیاهچالهٔ اولیه باشه یعنی کلِ کیهان رو داریم لمس میکنیم؟ هیجانانگیز و ترسناک همزمان
ارسال نظر