IceCube: الكشف عن أسرار الأشعة الكونية

مرصد آيس كيوب نيوترينو

المنشأة السطحية لتجربة IceCube ، والتي تقع تحت ما يقرب من ميل واحد (1.6 كيلومتر) من الجليد في القارة القطبية الجنوبية. يقترح IceCube عدم وجود نيوترينوات شبحية ، لكن تجربة جديدة تقول إنها موجودة. (مصدر الصورة: بإذن من مرصد IceCube Neutrino)





في الأراضي القاحلة الجليدية في القارة القطبية الجنوبية ، يوجد كاشف جسيم ضخم ، مرصد نيوترينو آيس كيوب. لكن البحث عن سطح الجهاز سيكون صعبًا ، لأن الجزء الأكبر من المرصد محاصر تحت الجليد. كان المرصد الدولي يبحث عن النيوترينوات - وهي جسيمات عديمة الكتلة وعديمة الشحنة لا تتفاعل أبدًا مع المادة. الآن ، قد تحل ملاحظاته أحد أكبر الألغاز في علم الفلك ، حيث يجيب على الأسئلة الكامنة وراء أصل النيوترينوات والأشعة الكونية.

أكبرهم جميعًا

يغطي مرصد نيوترينو آيس كيوب كيلومترًا مكعبًا واحدًا بالقرب من القطب الجنوبي. يغطي الجهاز كيلومترًا مربعًا من السطح ويمتد إلى عمق 4920 قدمًا (1500 متر). إنه أول كاشف نيوترينو جيجاتون تم بناؤه على الإطلاق.

بينما تظهر صور IceCube غالبًا مبنى جالسًا على سطح ثلجي ، يتم العمل الحقيقي أدناه. تتضمن التجربة متعددة الأغراض مصفوفة سطحية ، IceTop ، مجموعة من 81 محطة تقع فوق الأوتار. يعمل IceTop ككاشف معايرة لـ IceCube ، بالإضافة إلى اكتشاف زخات الهواء من الأشعة الكونية الأولية ، وتدفقها وتكوينها.



الكاشف الفرعي الداخلي الكثيف ، DeepCore ، هو مركز القوة لتجربة IceCube. تتكون كل محطة من محطات IceTop من سلاسل متصلة بوحدات بصرية رقمية (DOM) يتم نشرها على شبكة سداسية متباعدة 410 أقدام (125 مترًا). يحتوي كل خيط على 60 نموذج DOM بحجم كرة السلة. هنا ، في أعماق الجليد ، يستطيع IceCube البحث عن النيوترينوات القادمة من الشمس ، ومن داخل مجرة ​​درب التبانة ، ومن خارجها. ترتبط هذه الجسيمات الشبحية بالأشعة الكونية ، وهي أعلى جزيئات طاقة لوحظت على الإطلاق.

[ الموضوعات ذات الصلة: تتبع النيوترينو إلى مصدره: الاكتشاف بالصور ]

جزيئات غامضة

تم اكتشاف الأشعة الكونية لأول مرة في عام 1912. تتصادم الدفقات القوية من الإشعاع مع الأرض باستمرار ، وتتدفق من جميع أجزاء المجرة. حسب العلماء أن الجسيمات المشحونة يجب أن تتشكل في بعض أكثر الأشياء والأحداث عنفًا وأقلها فهماً في الكون. يوفر الموت النجمي المتفجر لنجم ، وهو مستعر أعظم ، طريقة واحدة لتكوين الأشعة الكونية. الثقوب السوداء النشطة في مركز المجرات أخرى.



نظرًا لأن الأشعة الكونية تتكون من جسيمات مشحونة ، فإنها تتفاعل مع المجالات المغناطيسية للنجوم والأشياء الأخرى التي تمر بها. تتشوه الحقول وتغير مسار الأشعة الكونية ، مما يجعل من المستحيل على العلماء تتبعها إلى مصدرها.

وهنا يأتي دور النيوترينوات. مثل الأشعة الكونية ، يُعتقد أن الجسيمات منخفضة الكتلة تتشكل من خلال العنف. ولكن نظرًا لعدم وجود شحنة للنيوترينوات ، فإنها تمر بمجالات مغناطيسية دون تغيير مسارها ، وتنتقل في خط مستقيم من مصدرها.

لهذا السبب ، أصبح البحث عن مصادر الأشعة الكونية أيضًا بحثًا عن نيوترينوات عالية الطاقة للغاية ، وفقًا لـ موقع IceCube's .



ومع ذلك ، فإن نفس الخصائص التي تجعل النيوترينوات مثل هذه الرسائل الجيدة تعني أيضًا أنه من الصعب اكتشافها. في كل ثانية ، يمر ما يقرب من 100 مليار نيوترينوات عبر بوصة مربعة واحدة من جسمك. يأتي معظمها من الشمس ، وهي ليست نشطة بما يكفي ليتم التعرف عليها بواسطة IceCube ، ولكن من المحتمل أن يكون بعضها قد تم إنتاجه خارج مجرة ​​درب التبانة.

يتطلب اكتشاف النيوترينوات استخدام مادة شديدة الوضوح مثل الماء أو الثلج. عندما يصطدم نيوترينو واحد ببروتون أو نيوترون داخل ذرة ، ينتج عن التفاعل النووي الناتج جسيمات ثانوية تصدر ضوءًا أزرق يعرف باسم إشعاع Cherenkov.

وفقًا لـ فريق IceCube .

ظروف قاسية

قد لا يكون القطب الجنوبي هو الفضاء الخارجي ، لكنه يحمل تحدياته الخاصة. بدأ المهندسون في بناء IceCube في عام 2004 ، وهو مشروع مدته سبع سنوات تم الانتهاء منه في الموعد المحدد في عام 2010. ويمكن أن يتم البناء فقط لبضعة أشهر كل عام ، خلال صيف نصف الكرة الجنوبي ، والذي يحدث من نوفمبر إلى فبراير.

يتطلب حفر 86 ثقبًا نوعًا خاصًا من الحفر - اثنان منهم في الواقع. تقدم الأول من خلال الفرن ، طبقة من الثلج المضغوط ، حتى حوالي 164 قدمًا (50 مترًا). ثم ذاب مثقاب الماء الساخن عالي الضغط عبر الجليد بسرعة حوالي 2 متر (6.5 قدم) في الدقيقة ، وصولاً إلى عمق 2450 مترًا (8038 قدمًا ، أو 1.5 ميلًا).

'معًا ، كان التمرينان قادران على إنتاج ثقوب عمودية مثالية تقريبًا وجاهزة لنشر الأجهزة بمعدل ثقب واحد كل يومين' وفقًا لـ IceCube .

ثم كان لا بد من نشر الخيوط بسرعة في الماء الذائب قبل أن يتجمد الجليد مرة أخرى. استغرق التجميد بضعة أسابيع حتى يستقر ، وبعد ذلك ظلت الأدوات غير قابلة للمس ، ومجمدة بشكل دائم في الجليد وغير قابلة للإصلاح. كان معدل فشل الأجهزة بطيئًا للغاية ، حيث كان أقل من 100 من أجهزة الاستشعار البالغ عددها 5500 لا تعمل حاليًا.

بدأ IceCube في إجراء الملاحظات منذ البداية ، حتى أثناء نشر سلاسل أخرى.

عندما بدأ المشروع لأول مرة ، لم يكن الباحثون واضحين بشأن المدى الذي سيقطعه الضوء عبر الجليد ، وفقًا لما قاله هالزن. مع هذه المعلومات الراسخة ، يعمل التعاون من أجل IceCube-Gen2. سيضيف المرصد الذي تمت ترقيته ما يقرب من 80 خيطًا إضافيًا للكاشف ، في حين أن فهم خصائص الجليد سيسمح للباحثين بوضع المستشعرات بعيدًا بشكل أكبر عن تقديراتهم الأصلية المتحفظة. يجب أن يضاعف IceCube-Gen2 حجم المرصد بنفس التكلفة تقريبًا.

مستشعر IceCube ، متصل بـ a

ينزل مستشعر IceCube ، المتصل بـ 'سلسلة' ، إلى حفرة في جليد القطب الجنوبي.(رصيد الصورة: NSF / B. Gudbjartsson)

علم لا يصدق

بدأ IceCube في البحث عن النيوترينوات قبل اكتماله ، مما أدى إلى العديد من النتائج العلمية المثيرة للاهتمام على طول الطريق.

بين مايو 2010 ومايو 2012 ، لاحظ IceCube 28 جسيمًا عالي الطاقة جدًا. وأرجع هالزن قدرة الكاشف على رصد هذه الأحداث المتطرفة إلى اكتمال الكاشف.

قال هالزن في كتاب: `` هذا هو أول مؤشر على وجود نيوترينوات عالية الطاقة للغاية تأتي من خارج نظامنا الشمسي ، مع طاقات تزيد مليون مرة عن تلك التي لوحظت في عام 1987 فيما يتعلق بمستعر أعظم شوهد في سحابة ماجلان الكبيرة ''. بيان . إنه لمن دواعي السرور أن نرى أخيرًا ما كنا نبحث عنه. هذا فجر عصر جديد من علم الفلك.

في أبريل 2012 ، تم الكشف عن زوج من النيوترينوات عالية الطاقة وأطلق عليهما اسم بيرت وإيرني ، تيمناً بشخصيات برنامج الأطفال التلفزيوني 'شارع سمسم'. مع طاقات أعلى من 1 بيتا إلكترون فولت (PeV) ، كان الزوجان أول نيوترينوات تم اكتشافها بشكل نهائي من خارج النظام الشمسي منذ المستعر الأعظم عام 1987.

قال أولي كاتز ، عالم فيزياء الجسيمات بجامعة إرلانجن-نورمبرج بألمانيا ، والذي لم يشارك في البحث: 'إنه إنجاز كبير'. أعتقد أنه أحد الاكتشافات الرئيسية المطلقة في فيزياء الجسيمات الفلكية ، قال كاتز لموقع ProfoundSpace.org .

أدت هذه الملاحظات إلى منح IceCube جائزة عالم الفيزياء 2013 اختراقة العام .

وجاءت المكاسب الرئيسية الأخرى في 4 ديسمبر 2012 ، عندما اكتشف المرصد حدثًا أطلق عليه العلماء اسم Big Bird ، أيضًا من 'شارع سمسم'. كان Big Bird عبارة عن نيوترينو بطاقة تتجاوز 2 كوادريليون إلكترون فولت ، أي أكثر من مليون مرة من طاقة الأشعة السينية للأسنان ، معبأة في جسيم واحد أقل من جزء من المليون من كتلة الإلكترون. في ذلك الوقت ، كان أعلى نيوترينو تم اكتشافه على الإطلاق من حيث الطاقة ؛ اعتبارًا من عام 2018 ، لا يزال يحتل المرتبة الثانية.

بمساعدة تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما التابع لناسا ، ربط العلماء بيغ بيرد بالانفجار النشط للغاية لبلازار يعرف باسم PKS B1424-418. يتم تشغيل Blazars بواسطة ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مركز المجرة. عندما يلتهم الثقب الأسود المواد ، تنحرف بعض هذه المواد إلى نفاثات تحمل قدرًا كبيرًا من الطاقة بحيث تتفوق على النجوم في المجرة. تعمل النفاثات على تسريع المادة ، مكونة النيوترينوات وشظايا الذرات التي تكوّن بعض الأشعة الكونية.

بدءًا من صيف عام 2012 ، تألق البرق في أشعة جاما بين 15 و 30 مرة أكثر من متوسطه قبل الانفجار. كشف برنامج مراقبة طويل المدى يسمى TANAMI ، والذي كان يراقب بشكل روتيني ما يقرب من 100 مجرة ​​نشطة في السماء الجنوبية ، أن قلب نفاث المجرة قد سطع أربع مرات بين عامي 2011 و 2013.

قال إدواردو روس ، من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي (MPIfR) في ألمانيا ، في عام 2016: `` لم تظهر أي من مجراتنا الأخرى التي رصدتها تانامي على مدى عمر البرنامج مثل هذا التغيير الدراماتيكي. بيان . حسب الفريق أن الحدثين مرتبطان.

قال ماتياس كادلر ، أستاذ الفيزياء الفلكية في جامعة فورتسبورغ: `` مع الأخذ في الاعتبار جميع الملاحظات ، يبدو أن البلازار كان لديه وسائل ودافع وفرصة لإطلاق نيوترينو بيج بيرد ، مما يجعله المشتبه فيه الرئيسي لدينا. ألمانيا.'

في تموز (يوليو) 2018 ، أعلنت شركة IceCube أنها قامت ، لأول مرة ، بتتبع النيوترينوات وإعادتها إلى مصدرها. في سبتمبر 2017 ، بفضل نظام تنبيه تم تثبيته حديثًا يبث للعلماء في جميع أنحاء العالم في غضون دقائق من اكتشاف مرشح قوي للنيوترينو ، تمكن الباحثون من تحويل تلسكوباتهم بسرعة في الاتجاه الذي نشأت فيه الإشارة الجديدة. نبه فيرمي الباحثين إلى وجود بلازار نشط ، يُعرف باسم TXS-0506 + 056 ، في نفس الجزء من السماء. أكدت الملاحظات الجديدة أن البلازار كان مشتعلًا ، ويصدر دفعات من الطاقة أكثر سطوعًا من المعتاد.

بالنسبة للجزء الأكبر ، TXS هي بلازار نموذجي ؛ إنه أحد ألمع 100 بلازار اكتشفه فيرمي. ومع ذلك ، في حين أن الـ 99 الآخرين ساطعة أيضًا ، إلا أنهم لم يقذفوا النيوترينوات نحو IceCube. في الأشهر الأخيرة ، كان TXS يشتعل ويضيء ويعتم بما يصل إلى مائة مرة أقوى مما كان عليه في السنوات السابقة.

'تتبع ذلك النيوترينو عالي الطاقة الذي اكتشفه IceCube والعودة إلى TXS 0506 + 056 يجعل هذه هي المرة الأولى التي نتمكن فيها من تحديد جسم معين كمصدر محتمل لمثل هذا النيوترينو عالي الطاقة ،' غريغوري سيفاكوف ، من الجامعة ألبرتا في كندا ، قال في بيان .

لم يتم الانتهاء من IceCube بعد. سيبقي نظام التنبيه الجديد علماء الفلك على أهبة الاستعداد في السنوات المقبلة. المرصد له عمر مخطط له يبلغ 20 عامًا ، لذلك هناك على الأقل عقد آخر من الاكتشافات المذهلة القادمة من مرصد القطب الجنوبي.