در دل یخ‌های قطب جنوب، آشکاری‌سازی به اندازه یک بلوک شهری در سکوت کامل به صدای آرام‌ترین پیام‌رسان‌های کیهان گوش می‌سپارد؛ نوترینوها. در تازه‌ترین تحلیل خود، گروه تحقیقاتی IceCube Collaboration داده‌های ۱۴ ساله از مسیرها (Tracks) و ۱۰ ساله از گسیل‌های آبشاری (Cascades) را ترکیب کرده تا حساس‌ترین جستجوی تمام‌جهتی خود را برای یافتن نوترینوهای پایدار انجام دهد.
پرسشی قدیمی در فیزیک: منشاء پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی کجاست؟
این پژوهش، سؤالی را هدف گرفته که دهه‌هاست ذهن فیزیک‌دانان را مشغول کرده است: پرتوهای کیهانی با بالاترین انرژی از کجا می‌آیند؟ و کدام نیروگاه‌های کیهانی قادرند ذرات را تا این حد پرانرژی شتاب دهند؟
IceCube چگونه نوترینوها را ردیابی می‌کند
در حجم یک کیلومتر مکعب از یخ شفاف قطب جنوب، IceCube دو نوع رخداد نوترینویی را ثبت می‌کند:
- ردی‌ها (Tracks): که معمولاً توسط نوترینوهای میونی ایجاد می‌شوند و مسیرهای کشیده‌ای هستند که با دقت زاویه‌ای بالا به منبع خود اشاره می‌کنند.
- آبشارها (Cascades): که از نوترینوهای الکترونی به‌دست می‌آیند و اطلاعات انرژی تمیزتری ارائه می‌دهند.
این دو نوع داده، آسمان شمال و جنوب را به‌طور مکمل پوشش می‌دهند. ردی‌ها برای نیم‌کره شمالی کارایی بهتری دارند، زیرا زمین خود به‌عنوان فیلتر طبیعی برای ذرات مزاحم عمل می‌کند. در مقابل، آبشارها در نیم‌کره جنوبی عملکرد مطلوب‌تری دارند؛ جایی که پس‌زمینه‌های جوی چالش‌برانگیزترند.
با تحلیل هم‌زمان این دو داده در یک مدل احتمالاتی Maximum Likelihood Fit، تیم تحقیقاتی توانست دامنه جستجو را بدون تقسیم آسمان به بخش‌های جداگانه گسترش دهد. این رویکرد یکپارچه الگوهایی را آشکار می‌کند که تحلیل‌های منفرد قادر به شناسایی آن‌ها نیستند.
نتایج اسکن آسمان: نقطه‌ای درخشان در شمال
پژوهشگران در جستجوی خود، ۱۶۷ منبع شناخته‌شده پرتو گاما را بررسی کردند تا ببینند آیا هیچ‌یک از آن‌ها نوترینوهایی بیش از حد انتظار منتشر می‌کند یا خیر. پس از تنظیمات آماری لازم، یک نقطه درخشان در نیم‌کره شمالی شناسایی شد که با موقعیت کهکشان NGC 1068 هم‌خوانی داشت. شدت سیگنال در این ناحیه حدود ۳.۵ برابر سطح پس‌زمینه معمول بود.
«ما دریافتیم که نقطه‌ای در آسمان، بسیار نزدیک به کهکشان NGC 1068، درخشان‌ترین نقطه در آسمان شمالی است.» — ریا شاه، دانشگاه درکسل
اگرچه این نتیجه هنوز به سطح کشف قطعی نرسیده است، اما شواهد پیشین را تقویت می‌کند که NGC 1068 می‌تواند یکی از منابع واقعی نوترینوهای پرانرژی باشد.
در نیم‌کره جنوبی نیز نقطه داغ دیگری شناسایی شد، اما این نقطه با هیچ جرم شناخته‌شده‌ای از فهرست مورد بررسی مطابقت نداشت و زمانی که داده‌ها به‌صورت مجزا تحلیل شدند نیز دیده نشد. این یافته نشان می‌دهد که ترکیب دو نوع داده می‌تواند ویژگی‌هایی را آشکار کند که در جستجوهای تک‌کاناله پنهان می‌مانند.
چرا NGC 1068 این‌قدر مهم است؟
کهکشان NGC 1068 دارای مرکزی بسیار درخشان و یک سیاهچاله عظیم است که گاز و غبار اطراف خود را می‌بلعد. این فرآیند انرژی عظیمی آزاد می‌کند. در سال ۲۰۲۲، IceCube موفق به ثبت ۷۹ نوترینوی پرانرژی از این کهکشان شد — یکی از قوی‌ترین سیگنال‌هایی که تاکنون از خارج از راه شیری مشاهده شده است.
تحلیل جدید با روشی متفاوت و حساس‌تر، همان ناحیه را دوباره به‌عنوان منبع نوترینوها شناسایی کرده است، که این امر احتمال تصادفی بودن نتایج قبلی را رد می‌کند.
پایداری سیگنال‌های نوترینویی در طول زمان
یکی از اهداف پژوهش، بررسی این بود که آیا نقاط داغ آسمان ناشی از فوران‌های کوتاه‌مدت هستند یا تابش‌هایی پایدار و بلندمدت دارند. برای NGC 1068، تحلیل نشان داد که این تابش‌ها حداقل به مدت چهار سال پایدار بوده‌اند و از نوع انتشارهای پیوسته محسوب می‌شوند. این ویژگی برای مدل‌سازی فیزیک هسته مرکزی و برنامه‌ریزی مشاهدات آینده اهمیت دارد.
نقش آبشارها در کشف‌های اخیر IceCube
در سال ۲۰۲۳، IceCube با استفاده از داده‌های آبشاری و الگوریتم‌های یادگیری ماشین، تابش نوترینویی از صفحه کهکشانی راه شیری را با اطمینان آماری ۴.۵ سیگما گزارش کرد. این کشف نشان داد که آبشارها حتی در مناطق شلوغ پس‌زمینه نیز می‌توانند منابع واقعی را آشکار کنند و ترکیب کانال‌ها حساسیت یکنواختی را در هر دو نیم‌کره ایجاد می‌کند.
چگونه جستجوی نوترینویی IceCube انجام می‌شود
این جستجو از چارچوب حداکثر درست‌نمایی (Maximum Likelihood Framework) استفاده می‌کند که در آن هر رویداد بر اساس شباهتش به سیگنال واقعی در زاویه و انرژی وزن‌دهی می‌شود. سپس بررسی می‌شود که آیا گروهی از رویدادها تجمعی بیش از حد انتظار پس‌زمینه دارند یا خیر.
در آزمایش فهرست منابع، موقعیت‌های شناخته‌شده پرتو گاما با داده‌ها مقایسه شدند تا مشخص شود کدام‌یک واقعاً در تولید نوترینو نقش دارند. برای جلوگیری از اشتباه آماری ناشی از جستجو در چندین نقطه (Trial Factors)، محاسبات اصلاح شدند. به همین دلیل است که نقطه داغ شمالی هرچند جذاب است، هنوز به سطح کشف قطعی نرسیده است.
چرا نوترینوها کلید درک کیهان‌اند
نوترینوهای پرانرژی به‌دلیل بار الکتریکی صفر و برهم‌کنش بسیار ضعیفشان، تقریباً بدون انحراف از مسیر، از فواصل کیهانی عبور می‌کنند. این ویژگی آن‌ها را به بهترین ردیاب فرآیندهای هدرونیک تبدیل می‌کند؛ همان فرآیندهایی که پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی را نیز تولید می‌کنند.
اگر کهکشان NGC 1068 در داده‌های آینده همچنان بدرخشد، تأییدی قوی بر این نظریه خواهد بود که هسته‌های فعال کهکشان‌ها می‌توانند کارخانه‌های کارآمدی برای تولید نوترینو باشند؛ حتی در محیط‌هایی که پرتوهای گاما توسط مواد چگال جذب می‌شوند، در حالی که نوترینوها آزادانه فرار می‌کنند.
گام‌های بعدی IceCube و آینده رصد نوترینوها
در آینده، با افزایش حجم داده‌ها و بهبود الگوریتم‌های بازسازی مسیرها، دقت آماری نقاط داغ شمالی و جنوبی افزایش می‌یابد. همچنین افزودن فهرست‌های جدیدی از کهکشان‌های فعال پنهان‌شده در غبار، می‌تواند به جداسازی منابع واقعی از نویز پس‌زمینه کمک کند.
رصدخانه IceCube با بهره‌وری بالا به فعالیت خود ادامه می‌دهد و نسل بعدی آشکارسازها دامنه انرژی تحت بررسی را گسترش خواهند داد. هر سال داده‌ی بیشتر، حساسیت این جستجو را نسبت به منابع پایدار افزایش می‌دهد.
این مطالعه در مجله The Astrophysical Journal منتشر شده است.
📢 اگر به دنیای فیزیک و اسرار کیهان علاقه‌مند هستید، مقاله‌های دیگر ما درباره رصد نوترینوها و انرژی‌های کیهانی را مطالعه کنید و دیدگاه خود را با ما به اشتراک بگذارید.
