نوترینوها چشم‌اندازی جدید از راه شیری ارائه می‌دهند

دانشمندان اولین تصویر از راه شیری را با استفاده از نوترینوها ترسیم کردند. نوترینوها، ذرات زیراتمی به‌شدت کم‌جرم فاقد بار الکتریکی هستند و با عبور از گاز، غبار و حتی ستاره‌ها، راه خود را به آشکارسازهای زمینی پیدا می‌کنند. نوترینوهای پرانرژی در کیهان حرکت می‌کنند، اما سرچشمه‌ی آن‌ها هنوز به صورت یک راز باقی مانده است.

اکنون به‌گزارش ساینس‌نیوز، پژوهشگرها با ترکیب هوش مصنوعی و داده‌هایی که در طول یک دهه از آشکارساز IceCube در جنوبگان جمع‌آوری کردند، به اولین شواهد از نوترینوهای پرانرژی دست یافتند که از درون راه شیری سرچشمه می‌گیرند و نقشه‌ای از این ذرات را روی تصویری از صفحه‌ی راه شیری تهیه کردند. برای اولین بار، کهکشان ما با چیزی غیر از نور نقشه‌برداری می‌شود.

نقشه‌ی یادشده نشان می‌دهد منابع نوترینویی پرانرژی درون راه شیری وجود دارند که احتمالاً ممکن است بقایای انفجارهای ابرنواختری گذشته، هسته‌ی ستاره‌های کلان جرم دچار فروپاشی شده یا اجرام ناشناس دیگر باشند؛ اما پژوهش بیشتری برای پی بردن به ماهیت این ذرات لازم است.

در گذشته تنها تعداد اندکی نوترینوی پرانرژی تا محل تولدشان ردیابی شدند که همه خارج از راه شیری قرار داشتند. این نوترینوها از سیاه‌چاله‌هایی سرچشمه می‌گرفتند که ستاره‌های همراه خود را می‌بلعیدند یا از کهکشان‌های فعالی موسوم به بلازر بودند. به گفته‌ی کیت اسکولبرگ، فیزیکدان دانشگاه دوک:

ما در حال مشاهده‌ی نوترینوهایی از فضای فراکهکشانی و کهکشانی هستیم. نکات بیشتری برای یادگیری وجود دارد و دیدن جهان با چشم‌های نوترینویی سرگرم کننده است.

ستاره‌شناسی نوترینو به ما اجازه می‌دهد اجرام دوردست را به شیوه‌ای ببینیم که هیچ تلسکوپی تاکنون ندیده است. دلیل این مسئله هم این است که نوترینوها می‌توانند بدون جذب شدن یا انحراف از فضاهای وسیع عبور کنند. از سوی دیگر پرتوهای ایکس، پرتوهای گاما، نور مرئی و ذرات باردار تشکیل‌دهنده‌ی کیهان، جذب یا منحرف می‌شوند و همین ویژگی می‌تواند سرچشمه‌ی آن‌ها را مخفی کند.

نائوکو کوراهاشی نیلسون، فیزیکدان دانشگاه درکسل فیلادلفیا به همراه گروهش نقشه‌ی نوترینویی را تهیه کردند. در گذشته رصدهای نوترینویی مثل IceCube، مانند تلسکوپ‌های مبتنی بر نور مرئی، پرتوی ایکس یا گاما، تنوع کافی را برای نمایش چشم‌اندازهای مختلف نداشتند.

در سه چشم‌انداز زیر، راه شیری در نور مرئی (تصویر بالا)، پرتوی گاما (تصویر وسط) و نوترینوی پرانرژی (تصویر پائین) دیده می‌شود. اولین نقشه‌ی ذره‌ای مبتنی بر داده‌های جمع‌آوری‌شده با آشکارساز عظیم IcCube است که در اعماق یخ‌های جنوبگان قرار دارد. غبار بخش‌هایی از نقشه‌ی نور مرئی را مسدود می‌کند و پرتوهای گاما هم ممکن است از منابع متعددی سرچشمه گرفته باشند؛ اما نوترینوها می‌توانند به موقعیت‌هایی مثل پرتوهای ایکس پرانرژی حاصل از بقایای ابرنواختر، هسته‌های غول‌های ستاره‌ای فروپاشیده و دیگر منابع ناشناسی که با غبار موجود در کهکشان برهم‌کنش دارند، اشاره کنند.

یکی از معایب نوترینوها، کشف دشوار آن‌ها است. آزمایش IceCube برای غلبه بر این چالش طراحی شده و این آزمایش از ۵۱۶۰ حسگر در آرایه‌ای یک کیلومتری مکعبی تشکیل شده که در اعماق یخ‌های جنوبگان تعبیه شده است. ابعاد بزرگ این سازه، امکان دیدن بخش کمی از نوترینوهای معلق راه شیری و جاهای دیگر کیهان را فراهم می‌کند.

از میان ۱۰۰ هزار نوترینویی که دانشمندان IceCube به صورت سالانه رصد می‌کنند، برخی از آن‌ها ردهای طولانی را در آشکارساز باقی می‌گذارند که به موقعیت سرچشمه‌ی آن‌ها اشاره دارند. بسیاری از سیگنال‌های نوترینو در IceCube با عنوان رویدادهای آبشاری شناخته می‌شوند. این سیگنال‌ها باعث انفجارهای نوری در آشکارساز می‌شوند، اما منشأ نوترینوها را مانند ردپای آن‌ها آشکار نمی‌کنند.

بر اساس برخی اطلاعات می‌توان به سرچشمه‌ی نوترینوها پی برد، اما به سختی می‌توان آبشارهای امیدبخش را در میان صدها هزار رویداد پس‌زمینه‌ی بی‌معنی شناسایی کرد.

کوراهاشی نیلسون تصمیم گرفت با بررسی یک دهه از داده‌های Ice Cube به کمک سیستم هوش مصنوعی موسوم به شبکه‌ی عصبی این مشکل را حل کند. می‌توان شبکه‌های عصبی را برای شناسایی رویدادهای مناسب آموزش داد.

کوراهاشی نیلسون در سال ۲۰۱۷ در این روش پیشتاز شد و تا زمان شناسایی نوترینوهای به‌کاررفته در نقشه‌ی جدید آن را بهبود داد. اسکولبرگ می‌گوید، این تحلیل و تکنیک‌ها شاید تمام محدودیت‌ها را از بین نبرند، اما پیش‌بینی اولیه‌ی بررسی نوترینوهای راه شیری بسیار هیجان‌انگیز است و قدم مهمی در درک ذرات پرانرژی آسمان به شمار می‌رود.