علماء الفلك ينصبون فخاخ جسيمات عالية الطاقة تحت جليد غرينلاند
نيوترينوات الفضاء العميق التي رصدتها هوائيات راديوية مدفونة قد تشير إلى مُعجِّلات كونية قوية
بقلم: دانييل كليري
ترجمة: مي بورسلي
يحفر الباحثون في الشمال حفراً عميقة في الغطاء الجليدي في غرينلاند. ولكنهم ليسوا علماء جيولوجيا يبحثون عن أدلة على المناخ الماضي. بل إنهم علماء فيزياء جسيمات فلكية، يبحثون عن المُعجلات (المُسرِّعات) الكونية Cosmic accelerators المسؤولة عن الجسيمات الأكثر نشاطًا في الكون. فبوضع مئات الهوائياتRadio antennas على سطح الجليد وعشرات الأمتار تحته، يأملون بحصر الجسيمات المراوغة المعروفة بالنيوترينوات Neutrinos وذلك عند مستوى طاقة أعلى من أي مما رصد في السابق. ويقول كوزمين ديكونو Cosmin Deaconu من جامعة شيكاغو University of Chicago، متحدثًا من محطة ساميت Summit Station في غرينلاند: “إنها آلة اكتشاف، تبحث عن أولى النيوترينوات عند مستويات الطاقة هذه”.
إذ تسجل أجهزة الكشف في أماكن أخرى من الأرض أحيانًا وصول الأشعة الكونية فائقة الطاقة Ultra–high-energy cosmic rays (اختصارا: الأشعة الكونية UHE)، وهي نوى ذرية تصطدم بالغلاف الجوي بسرعات عالية جدًا ويمكن لجسيم واحد منها أن يحزم قدرًا من الطاقة تعادل كرة تنس ضربت بقوة. ويريد الباحثون تحديد مصادر انبعاثها بدقة، ولكن لأن النوى مشحونة، فإن المجالات المغناطيسية في الفضاء تحني مساراتها، مما يحجب مصدرها.
وهنا يأتي دور النيوترينوات. إذ يعتقد الباحثون النظريون أنه عندما تنبعث الأشعة UHE من مصادرها وتصطدم بالفوتونات الناتجة من الخلفية الميكروية الكونية Cosmic microwave background، التي تسود الكون، فإنه يتولد منها ما يسمى النيوترينوات الكونية Cosmic neutrinos . ولأنها غير مشحونة، تنتقل النيوترينوات إلى الأرض بمسار مستقيم مثل السهم. غير أنه من الصعب رصدها. وتتميز النيوترينوات بعدم تفاعلها مع المادة، مما يمكِّن تريليونات منها المرور من خلالك كل ثانية دون أن تشعر بها. ويجب مراقبة كميات ضخمة من المواد لرصد حفنة من النيوترينوات التي تصطدم بالذرات.
وأكبر كاشف من هذا القبيل هو مرصد آيس كيوب نيوترينو IceCube Neutrino في القارة القطبية الجنوبية، والذي يراقب ومضات الضوء الناتجة من اصطدام النيوترينوهات عبر كيلومتر واحد مكعب من الجليد تحت القطب الجنوبي. منذ عام 2010 اكتشف المرصد IceCube العديد من النيوترينوات في الفضاء العميق، ولكن حفنة منها فقط – بأسماء مستعارة تشمل بيرت Bert وإيرني Ernie وبيغ بيرد Big Bird التي تقترب طاقاتها من 10 بيتا إلكترون فولت (PeV)، الطاقة المتوقعة من النيوترينوات الكونية، كما تقول أولغا بوتنر Olga Botner، أحد أعضاء فريق IceCube من جامعة أوبسالا Uppsala University. “لاكتشاف العديد من النيوترينوات ذات مستويات الطاقة الأعلى في غضون فترة زمنية معقولة، نحتاج إلى مراقبة كميات أكبر بكثير من الجليد”.
وإحدى هذه الطرق هي بالاستفادة من إشارة أخرى تنتج من اصطدام النيوترينو: نبضة من الموجات الراديوية. ونظرًا لأن الموجات تنتقل لمسافة تصل إلى كيلومتر واحد داخل الجليد، يمكن لمجموعة من الهوائيات الراديوية منتشرة على نطاق واسع بالقرب من السطح أن تراقب مساحة أكبر بكثير من الجليد، بتكلفة أقل من المرصد IceCube بسلاسله الطويلة من كاشفات الفوتون في أعماق الجليد. ومرصد النيوترينو الراديوي في غرينلاند Radio Neutrino Observatory Greenland (اختصارا: المرصد RNO-G)، والذي تقوده جامعة شيكاغو وجامعة بروكسل الحرة Free University of Brussels ومركز التعجيل الألماني German accelerator center (اختصارا: المركز DESY)، هو أول تعاون لاختبار هذا المفهوم. وعند اكتماله في عام 2023 ستكون به 35 محطة، تضم كل منها عشرين هوائيًا، ويغطي مساحة إجمالية قدرها 40 كم2. وقد ركب الفريق المحطة الأولى بالقرب من محطة ساميت التي تديرها الولايات المتحدة، عند قمة اللوح الجليدي في غرينلاند، ومن ثم انتقل إلى المحطة الثانية. المنطقة قاصية وقارسة. ويقول ديكونو: “إذا لم تحضر شيئًا ما؛ فلن تتمكن من شحنه بسرعة… فعليك أن تتدبر أمرك بما لديك”.
ويُعتقد الفريق أن النيوترينوات الكونية التي يأمل برصدها تنبع من محركات كونية عنيفة. ولعل مصادر الطاقة الأكثر احتمالا هي الثقوب السوداء فائقة الكتلة Supermassive black holes التي تلتهم المواد من المجرات المحيطة بها. وقد تتبع المرصد IceCube النيوترينوات، من الفضاء العميق، ذات مستويات طاقة أقل من الجسيمات بيرت وإيرني وبيغ بيرد إلى مجرات ذات ثقوب سوداء ضخمة الكتلة- وهي علامة على أن الفريق على المسار الصحيح (Science, 26 February, p. 872). ولكن هناك حاجة إلى عدد أكبر من النيوترينوات ذات الطاقات العالية لتأكيد الارتباط.
وإضافة إلى تحديد مصادر الأشعة UHE، يأمل الباحثون بأن تُظهر النيوترينوات ما تتكون منه هذه الجسيمات. فهناك نوعان من الأدوات الرئيسية التي تكشف عن الأشعة UHE تختلف في تكوينها. وتشير البيانات المأخوذة من مصفوفة التليسكوب Telescope Array في ولاية يوتا إلى أنها تتكون حصرياً من البروتونات Protons، بينما يشير مرصد بيير أوجيه Pierre Auger Observatory في الأرجنتين إلى أن البروتونات مختلطة بنوى ثقيلة. ويجب أن يختلف طيف الطاقة للنيوترينوات التي تولدها هذه الجسيمات اعتمادًا على تركيبتها – والذي بدوره يمكن أن يقدم أدلة على كيفية ومكان تعجيلها.
وقد يلتقط المرصد RNO-G عددًا كافيًا من النيوترينوات للكشف عن هذه الاختلافات في الطاقة، كما تقول آنا نيليس Anna Nelles، من جامعة فريدريش ألكساندر في إيرلانغن نيورونبورغFriedrich Alexander University Erlangen-Nürnberg، إحدى قادة المشروع، والتي تقدر أن المرصد RNO-G قد يرصد ما يصل إلى ثلاثة نيوترينوات كونية سنويًا. لكنها تقول: “إذا لم نكن موفقين”، فقد تكون الاكتشافات نادرة جدًا لدرجة أن رصداً واحداً فقط قد يستغرق عشرات الآلاف من السنين.
وحتى لو أثبت المرصد RNO-G أنها مجرد مسألة وقت، فهو أيضًا اختبار لمصفوفة راديوية أكبر بكثير، تمتد على مساحة 500 كم2، مخطط لها كجزء من خطة تطوير المرصد IceCube. فإذا كانت النيوترينوات الكونية موجودة، فسيرصدها الجيل الثاني من المرصد IceCube ويحل مسألة ماهيتها. وتقول نيليس: “يمكن أن تنهمر عليها النيوترينوات بمعدل 10 كل ساعة… إن وفقنا، فسنتمكن من رصدها”.
©2021, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved
