منجمان با جستجوی انرژی ترین ذرات جهان ، رادیو را روشن کردند



از زمان کشف آنها در دهه 1960 ، پرتوهای کیهانی با انرژی بسیار بالا دانشمندان را به فکر می انداختند که از کجا آمده اند. مانند همه پرتوهای کیهانی ، آنها را به اشتباه می توان نامید: آنها “اشعه” های تابشی نیستند ، بلکه ذرات زیر اتمی هستند ، مانند پروتون ها یا حتی هسته های کامل ، در فضا زیپ می کنند. چنین انرژی های فوق العاده بالایی از سرعت های بسیار زیاد و نزدیک شدن به خود نور حاصل می شود.

برای اینکه “بسیار بالا” در نظر گرفته شود ، پرتوی کیهانی باید نظم یک ولت الکترون کوینتیلیون یا 1000 پتا الکترون الکترون ولت (PeV) ، انرژی جنبشی را داشته باشد – حدود یک صدم از آنچه برای نمایش یک علامت روی صفحه کلید مورد نیاز است. فشردن این همه انرژی به یک جسم کوچک – تریلیون برابر کوچکتر از یک لکه گرد و غبار – بسیار بیشتر از توانایی شتاب دهنده های بشریت است ، که در بهترین حالت قادر به تولید تنها ذراتی با انرژی تقریباً یک پشه پرنده هستند.

و هر چقدر هم که فک بیفتد ، به اندازه متوسط ​​پرتوی کیهانی با انرژی فوق العاده بالا ، تعداد بسیار کمی از مافوق که محققان توانسته اند مشاهده کنند ، واقعاً شگفت انگیز هستند و انرژی هایی تا 300 برابر بیشتر را حمل می کنند – 300000 PeV عظیم. برای مرجع ، این بدان معنی است که یک پرتابه زیر اتمی مخصوصاً سریع که از اعماق فضا پرتاب می شود ، می تواند محفظه توپ تنیس را که کاملاً ضربه خورده است ، بسته بندی کند.

فیزیکدانان فیزیکی هنوز نمی دانند که دقیقاً چه چیزی این ذرات را به چنین سرعتی مضحک تسریع می کند ، اما آنها به شدت مایلند بدانند. تنها مقصر قابل قبول واقعاً فاجعه است – مانند مرگ انفجاری ستارگان پرجرم یا تغذیه سیری ناپذیر سیاهچاله های فراگیر آن سوی کهکشان راه شیری – که بدان معنی است که این ذرات خارق العاده باید پیام رسان از اعماق فضای خارج کهکشانی باشند ، و اسرار برخی از شدیدترین فیزیک در جهان است.

با این حال ، یک مشکل بزرگ وجود دارد. به عنوان ذرات باردار ، تمام اشعه های کیهانی در طول سفر خود از هر میدان الکترومغناطیسی که با آنها در تماس قرار می گیرند ، منحرف می شوند ، و ردیابی آنها از منشأ آسمانی واقعی آنها تقریباً غیرممکن است. خوشبختانه ، محققان دریافته اند که طبیعت راه دیگری برای پیشرفت ارائه می دهد: مطالعه نوترینوها ، ذرات الکتریکی خنثی که تصور می شود در همان منابع پرتوهای کیهانی با بیشترین انرژی تولید می شوند.

ابیگیل ویرگ ، اخترفیزیکدان دانشگاه شیکاگو گفت: “من فکر می کنم نوترینوها پیام رسانهای کاملی هستند.” “آنها از این نظر منحصر به فرد هستند که بدون تعامل با هیچ چیز یا خم شدن در میدان های مغناطیسی در مسیر خود به اینجا ، بسیار به جهان می روند.”

کاوش جهان با نوترینوها

یک نوترینوی متوسط ​​50-50 شانس عبور از یک سال نوری کامل سرب – 9.5 تریلیون کیلومتر فلز جامد – کاملاً بدون آسیب را دارد. این فاصله عمیق به ذرات مزیت بیشتری نسبت به پیام رسان های دیگر می دهد: از آنجا که آنها به ندرت با ماده متقابل هستند ، نوترینوها مستقیماً به آنجا می روند که از آنجا آمده اند. اما این یک شمشیر دو لبه است. نتیجه اجتناب ناپذیر عبور از جهان به گونه ای که گویی شفاف است این است که نوترینوها معمولاً از طریق ردیاب های زمین به همین ترتیب – بدون هیچ اثری – عبور می کنند.

دانشمندان برای افزایش شانس دیدن نوترینو ، باید ردیاب های عظیمی مانند آزمایش IceCube را در قطب جنوب بسازند که متشکل از یک کیلومتر مکعب از یخ قطب جنوب است و مجهز به چندین حسگر نوری است. IceCube به عنوان بزرگترین رصدخانه نوترینو جهان در جستجوی چشمک های نوری است که توسط دوش ذرات باردار از برخورد نوترینوها با مولکول های موجود در یخ منتشر می شود. در سال 2018 ، IceCube اعلام کرد نوترینو از یک آتش سوزی غول پیکر در حال سوختن است. و در ماه فوریه ، او شواهدی از نوترینو از یک ستاره پاره شده توسط یک سیاهچاله را دید.

Vireg با بیان اینکه در بالاترین انرژی ، “IceCube به سادگی در حال اتمام است” ، خاطرنشان می کند که حداقل 100 کیلومتر مکعب یخ برای داشتن یک شانس منطقی برای مشاهده آثار نوری نوترینوهای با انرژی بسیار بالا به عنوان شتاب بخشیدن ذرات ، مورد نیاز است سرعت فوق العاده نادر است. س Theال در فاصله بین بلوک های تشخیص است: نور می تواند قبل از پراکنده شدن یا جذب شدن ، فقط دهها متر در یخ حرکت کند ، بنابراین شبکه نوری باید کاملاً بسته بندی شود ، به طوری که اندازه قابل دستیابی آشکارساز را کاملاً محدود می کند.

به این ترتیب ، منابع ذرات انرژی بسیار بالا کشف نشده باقی می مانند ، زیرا رصدخانه 100 کیلومتری مکعبی به سبک IceCube از مرزهای امکان سنجی فنی و مالی فراتر رفته است. در تلاش برای مشاهده اولین نوترینوی بسیار پرانرژی ، فیزیکدانان نجوم توجه خود را به رویکرد اقتصادی تر در تشخیص رادیو معطوف کرده اند. امواج رادیویی می توانند صدها متر در یخ از نور نوری فاصله داشته باشند ، بنابراین می توان مجموعه ای نادر از بلوک های آشکارساز را ساخت تا حجم بسیار بیشتری را برای کسری از هزینه پوشش دهد.

تونیا ونتر ، فیزیکدان فیزیک نجومی در مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا گفت: “رادیو آینده است.” “من آن را به عنوان یک کاوشگر مکمل می دانم که توانایی انجام کاری را دارد که به نظر ما با سایر تکنیک های تشخیص بسیار چالش برانگیز است.”

انتشار رادیویی نوترینو

انتشار رادیویی دوش با ذرات باردار در موادی مانند یخ حتی شدیدتر از سیگنال های نوری در انرژی های بسیار زیاد است ، که آن را به یک کاوشگر جذاب در جهان شدید تبدیل می کند. این پدیده پس از فیزیکدان ارمنی روسی-ارمنی ، گورگن عسکاریان ، که برای اولین بار در سال 1962 پیش بینی کرد ، به عنوان اثر عسکریان شناخته می شود.

اما تلاش های اولیه برای نظارت بر اثر آسکاریان ناموفق بود و منجر به بدبینی گسترده ای شد که می تواند برای شناسایی ذرات با انرژی فوق العاده بالا مورد استفاده قرار گیرد. پیتر گورهام ، اخترفیزیکدان دانشگاه هاوایی در مانوآ گفت: “در مورد اینکه آیا این تأثیر واقعی است ، شک زیادی وجود داشت.” “بسیاری از فیزیکدانان ذرات پرانرژی این مسئله را جدی نمی گیرند.”

با این وجود ، یک تیم کوچک اما انعطاف پذیر از فیزیکدانان استقامت کردند و در سال 2000 هنگامی که اثر Askaryan را در عقب تریلر در مرکز شتاب خطی استنفورد (SLAC) تأیید کردند ، این میدان به نقطه عطفی رسید.

اکنون ، تقریباً 60 سال پس از پیش بینی آسکاریان ، تشخیص نوترینو در حالت رادیویی تازه آغاز شده است. گورم ، که عضوی از تیم SLAC بود ، گفت: “فیزیک جدیدی که می تواند از این امر بیرون بیاید حتی چیزی نیست که بتوانیم رویای آن را داشته باشیم.” “ما در مورد ماهیت شتاب دهنده های فضایی یاد خواهیم گرفت و مناطقی از فضای انرژی را که به آنها دسترسی دیگری نداریم مشاهده خواهیم کرد.”

نسل بعدی تلاش های رادیویی

با ابتکار گورهام از دانشگاه هاوایی در مانوآ ، یک تلاش ابتکاری در نجوم رادیویی نوترینو ANITA (آنتن زودگذر تکانه ای قطب جنوب) بود که از سال 2006 شروع به جمع آوری داده ها کرد. متشکل از مجموعه ای از آنتن هایی که به تدریج به روز می شوند و تحت یک بالون بزرگ هلیوم ، ANITA نصب می شوند. چهار دوره نظارت ماهانه در طی یک دوره 10 ساله انجام داده است ، هر کدام چندین کیلومتر در هوا افزایش می یابد تا صفحه یخ قطب جنوب زیر را برای یافتن نشانه های شوک انرژی فوق العاده بالای نوترینو بررسی کند.

در ماه ژانویه ، ناسا محموله Ultra High Energy Observation Payload (PUEO) را تأمین کرد ، آزمایش نسل بعدی که میراث آنیتا ساخته می شود. دیدگاه آنها در ارتفاع زیاد به آشکارسازهای بالون مانند ANITA و PUEO نسبت به آزمایشات زمینی بی نظیر است ، زیرا آنها می توانند بیش از یک میلیون کیلومتر مربع یخ را در جستجوی نوترینوها مشاهده کنند. اولین پرواز PUEO در سال 2024 پیش بینی می شود و شامل تعدادی پیشرفت تکنولوژی نسبت به ANITA برای افزایش حساسیت به انرژی بیشتر و همچنین سطح بالاتر نوترینو خواهد بود.

اما میدان دید بزرگشده ، مبنی بر جستجوی بالون ، متعادل است با این واقعیت که دقیقاً به دلیل اینکه آرایه های آنتن تا این حد بر روی یخ پرواز می کنند ، ممکن است نتوانند انتشار رادیو از سیگنال های ضعیف تر نوترینو را ببینند. اشکال دیگر واقعیت دوران دشوار است: شرایط بد یک وقفه منظم برای هر نوع کار بادکنک روی صفحه یخ قطب جنوب است. برای مقابله با این مشکلات ، فیزیکدانان فیزیک رویکرد “بهترین هر دو جهان” را در پیش گرفته اند و شبکه های رادیویی جدیدی را در حجم زیادی از یخ ایجاد می کنند که می تواند همزمان با آزمایش های بالون برای پوشش بیشتر انرژی کار کند. مقدمه تلاشهای كوچكتر ، محققان در حال آماده سازی برای نصب رصدخانه رادیو نوترینو رادیو گرینلند (RNO-G) هستند ، یك آزمایش یخ به رهبری دانشگاه شیكاگو.

استفانی ویسل ، اخترفیزیکدان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا که در ساخت رصدخانه نقش داشت ، گفت: “RNO-G بزرگترین ردیاب رادیویی است که تاکنون بر روی یخ ساخته شده است و در طی سه سال آینده 35 ایستگاه آنتن نصب شده است.” بسیاری از محققان خوش بین هستند که RNO-G به زودی اجازه می دهد تا با کشف اولین نوترینوهای با انرژی بسیار بالا ، در ابتدا به جهان شدید نگاه کند.

اما در غیر این صورت ، مفهوم شبکه های یخی برای استفاده در جانشین پیشنهادی IceCube ، IceCube-Gen2 گسترش خواهد یافت ، که دارای 200 ایستگاه آنتن در اطراف یک سیستم نوری بهبود یافته است. “IceCube می تواند نوترینوها را تا حدود 10 پاشنه ولت ببیند. اما با م componentلفه رادیویی اضافه شده ، به هزاران یا حتی صدها هزار خواهد رسید “. Vireg ، که محقق اصلی هم PUEO و هم RNO-G است ، گفت. این دامنه انرژی گسترش یافته فقط در 10 درصد از بودجه کل IceCube-Gen2 وجود دارد که سهم مهمی در مقرون به صرفه بودن تشخیص رادیویی دارد.

یک استراتژی جدیدتر برای کشف امواج رادیویی از دوش با ذرات باردار در هوا و نه در یخ جستجو خواهد کرد. موارد اول نتیجه تعامل یک نوترینو زیرزمینی در نزدیکی سطح سیاره ما است: در شرایط مناسب ، این نوترینوهای چربی زدایی شده توسط زمین می توانند ذرات پرانرژی ایجاد کنند که به جو فرار کرده و به دوش های گسترده و ساطع کننده هوا تجزیه شوند.

این استراتژی Giant Radio Array برای Neutrino Detection یا GRAND است – نامی مناسب برای آزمایش با اندازه بزرگ. همکاری بین المللی GRAND که توسط م institutionsسساتی در فرانسه ، چین ، هلند و برزیل سازمان یافته و تأمین اعتبار شده است ، امیدوار است که ریشه اشعه های کیهانی با انرژی بسیار بالا را با پیشنهاد بلند پروازانه ای برای شبکه رادیویی 200000 کیلومتر مربع (یعنی اندازه نبراسکا) کشف کند. )

“ماوریسیو بوستامانته” ، اخترفیزیکدان دانشگاه کپنهاگ که یکی از نویسندگان پیشنهاد GRAND است ، گفت: “ایده این است که نه یک آرایه یکپارچه ، بلکه 20 آرایه با 10 هزار آنتن ساخته شود.” وی توضیح می دهد که محل قرارگیری این توده ها مهم است ، زیرا آنها باید در مناطق “بی صدا” باشند – به دور از منابع مصنوعی انتشار قابل توجه رادیو. تاکنون GRAND چندین مکان از راه دور در کوههای تیان شان در آسیای میانه را شناسایی کرده است و قصد دارد به دنبال سایت های اضافی در سراسر جهان باشد.

با انواع آزمایشات رادیویی نسل بعدی که در این مسیر انجام می شود ، جامعه اخترفیزیکی با ایده هایی درباره آینده که سرانجام یکی از پیام آورترین و فرارسازترین پیام رسان طبیعت پیدا می شود ، سر و صدا می کند. ویسل می گوید: “من واقعاً منتظر کشف اولین نوترینوی پرانرژی هستم.” “من مطمئن نیستم که کدام آزمایش ابتدا آن را انجام خواهد داد ، اما دریچه ای جدید به جهان با توانایی های زیادی برای کشف باز می کند.”

و برای دانشمندانی که با تاریخچه این رشته آشنا هستند ، مطالعه مرزهای جدید کیهانی قصیده ای به گذشته است: فیزیک در قرن بیستم شکوفا شد و با مطالعه آنچه ذرات از آسمان می آیند ، رونق گرفت. بوستامانته گفت: “طبیعی است که وقتی می خواهیم چیزی بیش از آنچه ماشین های خودمان می توانند درک کنیم ، به شتاب دهنده های فضایی برگردیم.” “این تمام هدف از مطالعه انرژی ترین ذرات جهان ما است.”


منبع: khabar-nab.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*