شکار ارواح کیهانی در اعماق یخ؛ داستان کشفی که نوبل فیزیک ۲۰۲۶ را رقم زد

چگونه یک فیزیکدان با تبدیل یک کیلومتر مکعب یخ در قطب جنوب به تلسکوپی غول‌آسا، راه تازه‌ای برای کشف اسرار سیاه‌چاله‌ها و پرانرژی‌ترین پدیده‌های کیهان گشود؟

۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷، از دل یخ‌های قطب جنوب پیامی به رصدخانه‌های سراسر جهان ارسال شد. ماجرا از یک ذره کوچک شروع شده بود؛ ذره‌ای که احتمالاً میلیاردها سال در کیهان سفر کرده و سرانجام در عمق یخ‌ها ردی از خود به جا گذاشته بود. تنها ۴۳ ثانیه پس از ثبت این رویداد، دانشمندان در نقاط مختلف جهان به جست‌وجوی منشأ آن پرداختند. اما این ذره از کجا آمده بود و چرا پیدا کردنش تا این اندازه اهمیت داشت؟ پاسخ، آن‌ها را به یکی از عجیب‌ترین و پرانرژی‌ترین نقاط کیهان رساند. جالب‌تر اینکه کشف این ذره نه با یک تلسکوپ معمولی، بلکه با هزاران حسگر مدفون در یخ ممکن شده بود؛ ایده‌ای که «فرانسیس هالزن» (Francis Halzen) سال‌ها برای عملی کردنش تلاش کرد و سرانجام در اکتبر ۲۰۲۶ جایزه نوبل فیزیک را برایش به ارمغان آورد.

شبی که یک ذره نامرئی، سکوت قطب جنوب را شکست

اگر از کنار ساختمان رصدخانه «آیس‌کیوب» (IceCube) در قطب جنوب عبور کنید، احتمالاً چیزی توجهتان را جلب نمی‌کند. ساختمانی ساده در نزدیکی ایستگاه تحقیقاتی آموندسن–اسکات، در یکی از سردترین نقاط زمین. نه گنبد بزرگی دارد و نه تلسکوپی که به آسمان نشانه رفته باشد. بااین‌حال، همین ساختمان به یکی از غیرمعمول‌ترین رصدخانه‌های جهان متصل است.

برای دیدن بخش اصلی این رصدخانه باید حدود یک‌ونیم کیلومتر به زیر سطح یخ برویم. آنجا، در عمق ۱۴۵۰ تا ۲۴۵۰ متری، بیش از پنج هزار حسگر نوری قرار گرفته‌اند. دانشمندان در واقع یک کیلومتر مکعب از یخ‌های قطب جنوب را به آشکارسازی عظیم تبدیل کرده‌اند. اما چرا کسی باید برای مطالعه جهان، به‌جای نگاه کردن به آسمان، سراغ یخ‌های زیر پایش برود؟

پاسخ به ذراتی به‌نام نوترینو مربوط می‌شود؛ ذراتی که می‌توانند از میان زمین، بدن انسان و حجم عظیمی از ماده عبور کنند، بی‌آنکه اثری از خود بر جا بگذارند. پیدا کردن یکی از آن‌ها کار ساده‌ای نیست، اما گاهی یک نوترینو با ماده برخورد می‌کند و ذرات دیگری به‌وجود می‌آورد که حرکتشان در یخ، نور بسیار ضعیفی تولید می‌کند. حسگرهای آیس‌کیوب برای ثبت همین نور طراحی شده‌اند.

در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷، ساعت ۲۰:۵۴:۳۰ به وقت جهانی، حسگرهای آیس‌کیوب چنین رویدادی را ثبت کردند. کامپیوترها با بررسی الگوی نور توانستند مسیر احتمالی ذره را بازسازی کنند. این رویداد بعدها IceCube-170922A نام گرفت.

برآوردها نشان می‌دادند انرژی نوترینوی عامل این رویداد حدود ۲۹۰ تراالکترون‌ولت بوده است، انرژی فوق‌العاده بالایی که احتمال می‌رفت منشأ آن جایی بسیار دورتر از زمین باشد. اما یک سؤال اساسی باقی مانده بود: چه چیزی در کیهان می‌تواند ذره‌ای با چنین انرژی عظیمی تولید کند؟ و مهم‌تر از آن، آیا می‌شد با دنبال کردن مسیر این ذره، محل تولدش را پیدا کرد؟

برای فهمیدن اینکه چرا دانشمندان این رویداد را تا این اندازه جدی گرفتند، باید به گذشته برگردیم؛ به زمانی که حتی وجود چنین ذراتی هنوز یک فرضیه بود.

مهمانانی از جهان نامرئی؛ ذراتی که همین حالا از بدن ما عبور می‌کنند

همین حالا که مشغول خواندن این متن هستید، میلیاردها ذره، بدون اینکه چیزی احساس کنید یا حتی متوجه حضورشان شوید، از بدن شما عبور می‌کنند. چطور ممکن است ذره‌ای تقریباً از همه‌چیز عبور کند و در عین حال، اطلاعاتی ارزشمند درباره دورترین نقاط جهان با خود بیاورد؟ نام این ذره نوترینو است؛ یکی از عجیب‌ترین ذرات بنیادی که فیزیکدانان می‌شناسند.

ماجرای کشف نوترینو از یک مشکل حل‌نشده آغاز شد. در سال ۱۹۳۰، «ولفگانگ پائولی»‌ (Wolfgang Pauli)، فیزیکدان اتریشی، متوجه شد برای توضیح انرژی ظاهراً گمشده در نوعی واپاشی هسته‌ای، باید ذره‌ای ناشناخته وجود داشته باشد. ذره‌ای که هیچ‌کس آن را ندیده بود و ابزارهای آن زمان نیز توان آشکارسازی‌اش را نداشتند. پیشنهاد پائولی در ابتدا بیشتر شبیه راه‌حلی برای نجات یکی از قوانین اساسی فیزیک بود تا کشف یک ذره جدید.

۲۶ سال طول کشید تا سرانجام «فردریک رینز» (Frederick Reines) و «کلاید کون» (Clyde Cowan) در سال ۱۹۵۶ موفق شدند وجود نوترینو را به‌طور تجربی اثبات کنند. اما کشف این ذره تازه آغاز ماجرا بود.

امروز می‌دانیم نوترینوها بار الکتریکی ندارند، جرمشان بسیار ناچیز است و به‌ندرت با ماده برهم‌کنش می‌کنند. برای درک مقدار فراوانی آن‌ها، کافی است به خورشید فکر کنید. خورشید در جریان واکنش‌های هسته‌ای خود، میلیاردها نوترینو تولید می‌کند. تعداد این ذرات آن‌قدر زیاد است که در هر ثانیه، حدود ۶۰ میلیارد نوترینو از سطحی به‌اندازه یک سانتی‌متر مربع در نزدیکی زمین عبور می‌کنند. جالب اینکه همین ذرات بی‌وقفه و بدون برخورد با اتم‌های بدنمان، از بدن ما نیز می‌گذرند.

اما نکته جالب درباره نوترینوها این است که ویژگی که پیدا کردنشان را تا این اندازه دشوار می‌کند، آن‌ها را به پیام‌رسان‌هایی ارزشمند از اعماق کیهان تبدیل کرده است. نور همیشه نمی‌تواند از محیط‌های بسیار متراکم عبور کند و ذرات باردار نیز در مسیر خود، تحت‌تأثیر میدان‌های مغناطیسی منحرف می‌شوند. نوترینوها اما می‌توانند از دل همین محیط‌ها بیرون بیایند و میلیاردها سال نوری را تقریباً بدون تغییر مسیر، طی کنند.

به‌همین‌دلیل، هر نوترینویی که به زمین می‌رسد، ممکن است سرنخی از رویدادی در گوشه‌ای دورافتاده از جهان با خود داشته باشد؛ رویدادی که حتی قدرتمندترین تلسکوپ‌ها هم نتوانند آن را مستقیماً ببینند. بااین‌حال، دانشمندان با مشکل عجیبی روبه‌رو بودند. چگونه می‌شد مسیر ذره‌ای را پیدا کرد که می‌تواند از تمام کره زمین عبور کند، بی‌آنکه با چیزی برخورد کند؟

همین دشواری دانشمندان را به فکر راهی متفاوت انداخت. آن‌ها به آشکارسازی بسیار بزرگ نیاز داشتند تا شانس ثبت برخوردهای نادر نوترینوها را افزایش دهند. سرانجام، ایده استفاده از حجم عظیمی از یخ‌های طبیعی قطب جنوب شکل گرفت؛ جایی که می‌شد با نصب هزاران حسگر در اعماق یخ، رد ذراتی را پیدا کرد که تقریباً بدون برخورد از هر چیزی عبور می‌کنند.

وقتی نور دیگر کافی نیست؛ راز شتاب‌دهنده‌های پنهان کیهان

آیس‌کیوب قرار نبود فقط نوترینوها را شناسایی کند. دانشمندان امیدوار بودند با کمک این رصدخانه، پاسخی برای یکی از معماهای قدیمی اخترشناسی پیدا کنند. ذراتی که با انرژی‌های باورنکردنی از اعماق فضا به زمین می‌رسند، کجا و چگونه به چنین سرعت و انرژی عظیمی دست پیدا می‌کنند؟

بیشتر شناخت ما از جهان به کمک نور به‌دست آمده است؛ از نور مرئی تا امواج رادیویی و پرتوهای ایکس و گاما. تلسکوپ‌ها با دریافت این تابش‌ها توانسته‌اند تصاویری از کهکشان‌های دوردست، انفجار ستارگان و محیط اطراف سیاه‌چاله‌ها ثبت کنند. اما این مشاهدات هنوز نتوانسته‌اند یکی از مهم‌ترین پرسش‌ها را به‌طور کامل پاسخ دهند. منشأ پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی کجاست؟

پرتوهای کیهانی برخلاف نامشان، بیشتر از ذراتی مانند پروتون‌ها و هسته‌های اتمی تشکیل شده‌اند. بعضی از آن‌ها با انرژی‌هایی به زمین می‌رسند که بسیار فراتر از توان بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های ساخت بشر است. دانشمندان می‌دانند در گوشه‌وکنار کیهان پدیده‌هایی وجود دارند که می‌توانند ذرات را تا چنین انرژی‌هایی شتاب دهند، اما شناسایی دقیق این محیط‌ها همچنان دشوار است.

بقایای انفجار ستارگان، نواحی اطراف سیاه‌چاله‌های عظیم و فوران‌های قدرتمند ماده از مرکز کهکشان‌ها از جمله مکان‌های مشکوک هستند. مشکل اینجاست که پرتوهای کیهانی در مسیر رسیدن به زمین بارها تغییر جهت می‌دهند و درنتیجه، پیدا کردن محل دقیق تولیدشان معمولاً امکان‌پذیر نیست.

اینجاست که نوترینوها اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کنند. وقتی ذرات بسیار پرانرژی در نزدیکی این اجرام با ماده یا تابش برخورد می‌کنند، ممکن است نوترینو نیز تولید شود. بنابراین، شناسایی یک نوترینوی پرانرژی می‌تواند نشانه‌ای از فعالیت همان شتاب‌دهنده‌های طبیعی باشد که اخترشناسان سال‌ها به دنبالشان بوده‌اند.

البته ثبت یک نوترینو به‌تنهایی برای شناسایی منشأ آن کافی نیست. دانشمندان باید جهت حرکتش را با مشاهدات تلسکوپ‌های دیگر مقایسه کنند و ببینند آیا در همان بخش از آسمان، پدیده‌ای پرانرژی در حال رخ دادن است یا نه.

همین موضوع به رویداد ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ اهمیت ویژه‌ای می‌داد. نوترینویی که آیس‌کیوب ثبت کرده بود، شاید می‌توانست دانشمندان را به یکی از شتاب‌دهنده‌های طبیعی کیهان برساند. اکنون باید دید آیا در مسیری که این ذره از آن رسیده بود، نشانه دیگری هم پیدا می‌شد یا نه.

مردی که تصمیم گرفت به‌جای آسمان، به اعماق زمین نگاه کند

در دهه ۱۹۸۰، زمانی که دانشمندان هنوز به‌دنبال راهی برای شناسایی منشأ پرانرژی‌ترین ذرات کیهانی بودند، هالزن، به ایده‌ای علاقه‌مند شد که اجرای آن چندان ساده به‌نظر نمی‌رسید. او می‌خواست از یخ‌های طبیعی قطب جنوب برای ساخت رصدخانه‌ای استفاده کند که تا آن زمان نمونه‌ای در آن مقیاس وجود نداشت.

البته فکر استفاده از محیط‌های طبیعی برای آشکارسازی نوترینوها چندان تازه نبود. پیش از آن، دانشمندان در پروژه‌ای به‌نام «دوماند» (DUMAND) تلاش کرده بودند از آب‌های عمیق اقیانوس در نزدیکی هاوایی برای این کار استفاده کنند. اما کار در اعماق اقیانوس مشکلات زیادی داشت و نصب و نگهداری تجهیزات در آن محیط دشوار بود.

هالزن به همراه «جان لرند» (John Learned)، فیزیکدان آمریکایی، به امکان استفاده از یخ‌های ضخیم جنوبگان فکر کرد. برخلاف آب اقیانوس، یخ محیطی ثابت بود و حسگرها پس از نصب و یخ‌زدن دوباره آب اطرافشان، در جای خود باقی می‌ماندند. اگر یخ در لایه‌های عمیق به‌اندازه کافی شفاف بود، حسگرها می‌توانستند نور ضعیف حاصل از برخورد نوترینوها با ماده را ثبت کنند. هالزن و لرند در سال ۱۹۸۸ این ایده را در یک نشست علمی مطرح کردند و استفاده از یخ‌های قطب جنوب را به‌عنوان راهی تازه برای آشکارسازی نوترینوها پیشنهاد دادند.

اما فاصله زیادی میان مطرح کردن یک ایده و اثبات عملی آن وجود داشت. هیچ‌کس دقیقاً نمی‌دانست نور در لایه‌های عمیق یخ تا چه مسافتی حرکت می‌کند. حباب‌های هوا و ناخالصی‌های موجود در یخ می‌توانستند نور را در جهت‌های مختلف پراکنده کنند و تشخیص مسیر ذرات را دشوار سازند. از طرفی، نصب تجهیزات به حفاری چاه‌های عمیق نیاز داشت؛ آن هم در منطقه‌ای که سرمای شدید و شرایط آب‌وهوایی، حتی ساده‌ترین فعالیت‌های فنی را به کاری پیچیده تبدیل می‌کرد.

نخستین آزمایش‌ها در گرینلند انجام شد. پژوهشگران با قراردادن حسگرهای نوری در یخ توانستند نشان دهند که این روش از نظر فنی امکان‌پذیر است. نتیجه امیدوارکننده بود، اما برای ساخت یک رصدخانه واقعی هنوز باید شرایط یخ‌های قطب جنوب بررسی می‌شد.

در سال ۱۹۹۳، اجرای پروژه آزمایشی «آماندا» (AMANDA)، در قطب جنوب کلید خورد، پروژه‌ای که بعدها زمینه را برای ساخت رصدخانه آیس‌کیوب فراهم کرد. پژوهشگران با استفاده از آب داغ و پرفشار، در یخ چاه حفر می‌کردند و پیش از یخ‌زدن دوباره آب، کابل‌های حامل حسگرهای نوری را به داخل آن می‌فرستادند.

شب کریسمس همان سال، هالزن در خانه‌اش در بلژیک منتظر خبری از گروه مستقر در قطب جنوب بود. او پشت میز شام، کامپیوترش را کنار خود گذاشته بود و مرتب پیام‌های دریافتی را بررسی می‌کرد. سرنوشت سال‌ها تلاش به موفقیت عملیاتی بستگی داشت که هزاران کیلومتر دورتر انجام می‌شد و او هیچ کنترلی بر آن نداشت. سرانجام پیام مورد انتظار رسید. نخستین کابل حامل حسگرهای نوری با موفقیت در یخ نصب شده بود.

این خبر، موفقیت مهمی برای گروه پژوهشی بود، اما خیلی زود مشخص شد که نصب تجهیزات تنها بخشی از مشکل بوده است. داده‌های اولیه نشان می‌دادند یخ در عمقی که حسگرها قرار گرفته بودند، آن‌قدر که انتظار می‌رفت شفاف نیست. حباب‌های هوای محبوس در یخ، نور را پراکنده می‌کردند و دقت آشکارساز را کاهش می‌دادند. پژوهشگران حالا باید مشخص می‌کردند آیا در لایه‌های عمیق‌تر، شرایط بهتری وجود دارد یا ایده‌ای که سال‌ها برای اجرای آن تلاش کرده بودند، با مانعی جدی روبه‌رو شده است.

از یک آزمایش نامطمئن تا ساخت بزرگ‌ترین تلسکوپ نوترینویی جهان

پاسخ پرسش پژوهشگران در لایه‌های عمیق‌تر یخ پیدا شد. بررسی‌ها نشان دادند که در عمق بیش از ۱۴۰۰ متر، با کاهش حباب‌های هوا، یخ به‌مراتب شفاف‌تر می‌شود و نور می‌تواند مسافت‌های بسیار بیشتری را در آن طی کند. این کشف مسیر پروژه را تغییر داد. آماندا تا سال ۲۰۰۰ توانست توانایی خود را در آشکارسازی نوترینوها نشان دهد، اما هالزن و همکارانش به‌دنبال چیزی بسیار بزرگ‌تر بودند، رصدخانه‌ای که بتواند تعداد بیشتری از نوترینوهای پرانرژی کیهانی را شناسایی کند.

ساخت رصدخانه آیس‌کیوب در اواخر سال ۲۰۰۴ آغاز شد و یکی از دشوارترین مراحل آن، حفاری در یخ‌های قطب جنوب بود. مهندسان برای این کار از سامانه‌ای با توان گرمایی حدود پنج مگاوات استفاده کردند که با آب داغ پرفشار، چاه‌هایی به قطر تقریبی ۶۰ سانتی‌متر و عمق نزدیک به ۲۵۰۰ متر ایجاد می‌کرد. حفر هر چاه حدود دو روز طول می‌کشید و گروه اجرایی باید پیش از یخ‌زدن دوباره آب، کابل حامل حسگرها را درون آن قرار می‌داد.

تجهیزات حفاری آب داغ آیس‌کیوب در قطب جنوب که برای ایجاد چاه‌های عمیق و نصب حسگرهای نوری در یخ استفاده شدند.

این عملیات در طول چند فصل تابستان جنوبگان ادامه یافت تا سرانجام در دسامبر ۲۰۱۰ به پایان رسید. در مجموع، ۵۱۶۰ حسگر نوری روی ۸۶ رشته کابل عمودی نصب شدند. هر حسگر درون محفظه‌ای شیشه‌ای و مقاوم قرار داشت و می‌توانست نور بسیار ضعیف را ثبت و اطلاعات آن را از طریق کابل‌ها به کامپیوترهای سطح زمین منتقل کند.

آیس‌کیوب در سال ۲۰۱۱ با ظرفیت کامل به بهره‌برداری رسید. طرحی که با آزمایش‌هایی نامطمئن آغاز شده بود، حالا به رصدخانه‌ای بین‌المللی تبدیل می‌شد که بیشتر تجهیزات آن در اعماق یخ قرار داشت و دسترسی مستقیم به آن‌ها تقریباً غیرممکن بود.

اما ساخت چنین رصدخانه بزرگی تنها بخشی از موفقیت بود. هالزن و همکارانش هنوز باید نشان می‌دادند که این ابزار می‌تواند همان کاری را انجام دهد که سال‌ها برایش تلاش کرده بودند؛ شناسایی نوترینوهایی که از رویدادهای پرانرژی در خارج از منظومه شمسی به زمین می‌رسند.

نور آبی در دل تاریکی؛ فیزیک چگونه رد یک شبح را آشکار می‌کند؟

آشکارسازی نوترینوها تنها به ثبت نور در یخ محدود نمی‌شود. دانشمندان باید از روی همین سیگنال‌های ضعیف تشخیص دهند که ذره چه مقدار انرژی داشته و از کدام سمت به زمین رسیده است. برای این کار، آیس‌کیوب از پدیده‌ای فیزیکی به‌نام تابش چرنکوف کمک می‌گیرد.

این تابش زمانی شکل می‌گیرد که ذره‌ای باردار با سرعتی بیشتر از سرعت انتشار نور در محیطی مانند یخ حرکت کند. البته این اتفاق به معنای شکستن محدودیت سرعت نور در خلأ نیست، زیرا نور هنگام عبور از یخ آهسته‌تر حرکت می‌کند. در چنین شرایطی، ذره تابشی تولید می‌کند که بخش قابل‌توجهی از آن در محدوده نور آبی قرار دارد.

حسگرهای آیس‌کیوب با ثبت شدت نور و زمان رسیدن آن به نقاط مختلف، به دانشمندان کمک می‌کنند مسیر و انرژی ذره را تخمین بزنند. البته الگوی نور در همه برخوردها یکسان نیست. به‌عنوان مثال، برخورد نوترینوهای میونی می‌تواند ردهای نوری کشیده‌ای بر جا بگذارد که تعیین جهت را آسان‌تر می‌کنند. درمقابل، برخی برخوردها به شکل‌گیری آبشارهایی از ذرات منجر می‌شوند که نور را در محدوده‌ای گسترده‌تر پخش خواهند کرد. این نوع رویدادها معمولاً اطلاعات دقیق‌تری درباره انرژی آزادشده در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهند، هرچند بازسازی مسیر آن‌ها دشوارتر است.

بااین‌حال، هر نوری که حسگرها ثبت می‌کنند، نشانه ورود نوترینویی از اعماق کیهان نیست. برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین نیز ذرات و نوترینوهای فراوانی تولید می‌کند که می‌توانند به آشکارساز برسند. دانشمندان باید با بررسی انرژی، جهت حرکت و الگوی سیگنال‌ها، این رویدادهای معمول را از نوترینوهایی با منشأ احتمالی خارج از منظومه شمسی جدا کنند.

از نخستین نشانه‌های کیهانی تا کشف رد یک سیاه‌چاله دوردست

در سال ۲۰۱۳، آیس‌کیوب به یکی از مهم‌ترین اهداف خود رسید. پژوهشگران هنگام بررسی داده‌های سال‌های ۲۰۱۱ و ۲۰۱۲، دو رویداد با انرژی فوق‌العاده بالا شناسایی و نام‌های غیررسمی برت و ارنی را برایشان انتخاب کردند. انرژی این دو رویداد در محدوده پتاالکترون‌ولت بود، مقداری که احتمال منشأ کیهانی آن‌ها را تقویت می‌کرد.

دانشمندان برای اطمینان، داده‌های بیشتری را بررسی و سرانجام در نوامبر ۲۰۱۳، نتایج تحلیل ۲۸ رویداد پرانرژی را منتشر کردند. بررسی‌ها نشان می‌دادند بخش قابل‌توجهی از این رویدادها را نمی‌توان با نوترینوهای معمولی تولیدشده در جو زمین توضیح داد. این یافته نخستین شواهد قانع‌کننده از وجود نوترینوهای پرانرژی با منشأ اخترفیزیکی را فراهم کرد. اما، یک مسئله مهم همچنان بی‌پاسخ مانده بود. آیس‌کیوب توانسته بود حضور این ذرات را ثبت کند، اما هنوز مشخص نبود دقیقاً از کدام اجرام آسمانی سرچشمه می‌گیرند.

چهار سال بعد، رویداد ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ سرنخ تازه‌ای در اختیار پژوهشگران گذاشت. پس از انتشار هشدار مربوط به نوترینوی IceCube-170922A، رصدخانه‌های مختلف بررسی همان ناحیه از آسمان را آغاز کردند. داده‌های تلسکوپ فضایی فرمی ناسا نشان می‌دادند جرمی به‌نام TXS 0506+056 در همان محدوده، فعالیت شدیدی در پرتوهای گاما دارد.

بازسازی کامپیوتری نوترینوی IceCube-170922A که در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ ثبت شد. نقاط رنگی حسگرهایی را نشان می‌دهند که نور ناشی از رویداد را دریافت کرده‌اند و خط قرمز مسیر بازسازی‌شده ذره است.

این جرم یک «بلازار» (Blazar) بود، نوعی هسته فعال کهکشانی که در مرکز آن سیاه‌چاله‌ای فوق‌پرجرم قرار دارد. ماده اطراف این سیاه‌چاله می‌تواند فواره‌های عظیمی از ذرات و تابش ایجاد کند که با سرعتی نزدیک به نور به فضا پرتاب می‌شوند. در بلازارها، یکی از این فواره‌ها تقریباً به‌سمت زمین قرار گرفته است و به‌همین‌دلیل، تابش آن‌ها بسیار درخشان و متغیر به‌نظر می‌رسد.

تصویرسازی علمی از بلازار TXS 0506+056 و فواره پرانرژی آن که تقریباً به‌سمت زمین قرار گرفته است. این جرم در سال ۲۰۱۷ به‌عنوان منشأ احتمالی یک نوترینوی بسیار پرانرژی شناسایی شد.

رصدهای بعدی، از جمله مشاهدات تلسکوپ‌های مجیک در جزایر قناری، فعالیت پرانرژی این بلازار را تأیید کردند. حالا دانشمندان دو نشانه متفاوت در اختیار داشتند که از یک ناحیه آسمان خبر می‌دادند؛ نوترینویی ثبت‌شده در قطب جنوب و پرتوهای گامایی که تلسکوپ‌ها شناسایی کرده بودند.

بررسی‌های آماری نشان دادند که ارتباط این نوترینو با بلازار، با معناداری حدود سه سیگما، بعید است صرفاً تصادفی باشد؛ هرچند هنوز نمی‌شد منشأ آن را با قطعیت تأیید کرد. این یافته نقطه عطفی در «اخترشناسی چندپیام‌رسان بود؛ روشی که با ترکیب داده‌های نوترینویی و مشاهدات تلسکوپی، امکان بررسی دقیق‌تر پدیده‌های پرانرژی کیهان را فراهم می‌کند.

سرنخی که سال‌ها در آرشیو پنهان مانده بود

ماجرای بلازار TXS 0506+056 با کشف سال ۲۰۱۷ به پایان نرسید. پژوهشگران پس از شناسایی ارتباط احتمالی این جرم با نوترینوی ثبت‌شده، تصمیم گرفتند داده‌های قدیمی آیس‌کیوب را دوباره بررسی کنند. آن‌ها حدود ۹ سال و نیم اطلاعات ذخیره‌شده را زیر نظر گرفتند تا مشخص شود آیا پیش از این نیز نوترینوهایی از همان ناحیه آسمان به زمین رسیده بودند یا نه.

نتایج نشان دادند که بین سپتامبر ۲۰۱۴ تا مارس ۲۰۱۵، تعداد نوترینوهای ثبت‌شده از جهت این بلازار بیشتر از حد انتظار بوده است.

نکته جالب این بود که آیس‌کیوب چند سال پیش از هشدار سال ۲۰۱۷، نشانه‌هایی از فعالیت احتمالی همین منبع را ثبت کرده بود، بی‌آنکه دانشمندان در آن زمان متوجه اهمیتشان شوند. بخشی از پاسخ معمایی که تازه توجه اخترشناسان را جلب کرده بود، از مدت‌ها قبل در آرشیو رصدخانه وجود داشت.کافی بود پژوهشگران این بار با اطلاعات و پرسشی تازه به سراغ داده‌های قدیمی بروند.

از سیاه‌چاله‌های دوردست تا قلب کهکشان راه شیری

موفقیت سال ۲۰۱۷ آغاز مرحله تازه‌ای از پژوهش‌های آیس‌کیوب بود. در سال ۲۰۲۲، دانشمندان شواهد مهم دیگری از کهکشان فعال NGC 1068، معروف به «مسیه ۷۷» (Messier 77)، به‌دست آوردند؛ کهکشانی در فاصله حدود ۴۷ میلیون سال نوری از زمین که سیاه‌چاله‌ای فوق‌پرجرم در مرکز آن قرار دارد.

تصویر کهکشان مارپیچی NGC 1068، معروف به مسیه ۷۷، ثبت‌شده توسط تلسکوپ فضایی هابل. آیس‌کیوب در سال ۲۰۲۲ شواهدی از انتشار نوترینوهای پرانرژی از جهت این کهکشان شناسایی کرد.

بررسی داده‌ها نشان داد که حدود ۷۹ نوترینو را می‌توان به‌صورت آماری با جهت این کهکشان مرتبط دانست. این یافته توجه پژوهشگران را به محیط پرانرژی و متراکم اطراف سیاه‌چاله مرکزی جلب کرد؛ جایی که بخشی از تابش ممکن است در میان ماده جذب شود، اما نوترینوها می‌توانند از آن خارج شوند و به زمین برسند. البته این ذرات از درون سیاه‌چاله نمی‌آیند، بلکه در نواحی اطراف آن تولید می‌شوند؛ زیرا هیچ ذره‌ای نمی‌تواند از داخل افق رویداد سیاه‌چاله فرار کند.

یک سال بعد، آیس‌کیوب شواهد محکمی از انتشار نوترینوهای پرانرژی در امتداد صفحه کهکشان راه شیری نیز به‌دست آورد. این کشف نشان داد که نوترینوها علاوه‌بر کهکشان‌های دوردست، می‌توانند اطلاعات ارزشمندی درباره فرایندهای پرانرژی کهکشان خودمان در اختیار دانشمندان قرار دهند.

تصویر ترکیبی کهکشان راه شیری با بازنمایی آبی‌رنگ انتشار نوترینوهای پرانرژی؛ نتیجه پژوهشی که همکاری آیس‌کیوب در سال ۲۰۲۳ منتشر کرد.

با وجود این پیشرفت‌ها، هنوز مشخص نیست کدام اجرام کیهانی بیشترین سهم را در تولید نوترینوهای پرانرژی دارند و منشأ پرانرژی‌ترین پرتوهای کیهانی دقیقاً کجاست. آیس‌کیوب توانسته بخشی از این معما را روشن کند، اما پرسش‌هایی که به ساخت آن منجر شدند، همچنان موضوع پژوهش هستند.

نوبل فیزیک۲۰۲۶؛ پایان یک مسیر طولانی، آغاز کشف‌های تازه

صبح ششم اکتبر ۲۰۲۶، آکادمی سلطنتی علوم سوئد فرانسیس هالزن را به‌عنوان برنده جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۶ معرفی کرد؛ دانشمندی که نزدیک به چهار دهه برای تبدیل ایده‌ای غیرمعمول به یکی از مهم‌ترین ابزارهای اخترشناسی تلاش کرده بود. هالزن هنگام اعلام خبر در ایتالیا حضور داشت و مشغول نوشتن پیشنهادی برای یک پروژه پژوهشی جدید بود.

اگرچه جایزه به نام هالزن ثبت شد، او موفقیت آیس‌کیوب را حاصل تلاش گروهی بین‌المللی دانست که در سال ۲۰۲۶ حدود ۴۵۰ پژوهشگر از ۱۴ کشور را دربرمی‌گرفت. دستاورد آن‌ها فراتر از ساخت یک رصدخانه عظیم بود. آیس‌کیوب به دانشمندان امکان داد با شناسایی نوترینوهای پرانرژی، به بررسی مناطقی از کیهان بپردازند که حتی قدرتمندترین تلسکوپ‌ها نیز نمی‌توانند تمام جزئیات آن‌ها را آشکار کنند.

اما دریافت نوبل به معنای پایان این مسیر نیست. دانشمندان طراحی نسل بعدی این رصدخانه با نام «آیس‌کیوب جن۲» (IceCube-Gen2) را دنبال می‌کنند؛ طرحی که قرار است با پوشش حجمی بسیار بزرگ‌تر، امکان شناسایی نوترینوهای بیشتری را فراهم کند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.