این ذرات عمدتاً شامل هستههای اتمی و ذرات زیراتمی مانند پروتونها، الکترونها و نوترینوها هستند که بیوقفه زمین را مورد هجوم قرار میدهند. منشأ این ذرات پرانرژی یکی از قدیمیترین و پیچیدهترین رازهای اخترفیزیک مدرن به شمار میرود. یکی از نظریههای مطرح این است که این ذرات طی رویدادهای بسیار پرانرژی و خارقالعاده، مانند انفجار ابرنواخترها یا رویدادهای گسست کشندی (TDE) ایجاد میشوند؛ رویدادهایی که در آنها ستارهها تحت تأثیر گرانش شدید یک سیاهچاله تکهتکه میشوند.
در چنین سناریویی، انفجارهای ناگهانی و نیروهای گرانشی فوقالعاده قدرتمند باعث میشوند ذرات تا سرعتهای نسبیتی شتاب بگیرند. اما با وجود جذابیت این نظریه، تاکنون هیچ آزمایش یا جستوجوی نظاممندی برای تأیید قطعی آن انجام نشده بود. در مطالعهای جدید، تیمی از پژوهشگران دانشگاه توهوکو در ژاپن اولین جستوجوی نظاممند برای یافتن «همتای کیهانی» یک رویداد نادر موسوم به «چندتایی نوترینویی» را انجام دادهاند؛ رویدادی که توسط رصدخانه نوترینوی IceCube در جنوبگان شناسایی شده بود. یافتههای این پژوهش گامی مهم در جهت محدود کردن دامنه جستوجو برای منشأ پرانرژیترین ذرات موجود در جهان به شمار میرود.
این تیم به رهبری سیجی توشیکاگه، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در مؤسسه نجوم دانشگاه توهوکو و دانشکده علوم این دانشگاه، فعالیت کرده است. دیگر اعضای تیم شامل شیگهاو کیمورا، استاد مؤسسه پژوهشهای مرزی در علوم میانرشتهای (FRIS) دانشگاه توهوکو، ماسائومی تاناکا از دانشکده علوم دانشگاه توهوکو، و پژوهشگرانی از مرکز بینالمللی اخترفیزیک هادرونی (ICHA) و مرکز پژوهشهای نجومی مؤسسه فناوری چیبا بودهاند. نتایج این تحقیق در ۲۳ اکتبر در ژورنال اخترفیزیک منتشر شده است.
«چندتایی» یا multiplet به رویدادی نادر گفته میشود که در آن چند نوترینوی پرانرژی از یک جهت مشخص و در یک بازه زمانی کوتاه تشخیص داده میشوند. در این مورد، این نوترینوها طی حدود یک ماه ردیابی شدهاند. تیم پژوهشی برای یافتن منشأ احتمالی این نوترینوها، به سراغ دادههای رصدخانه ZTF رفت؛ سامانهای که با استفاده از دوربینی با میدان دید بسیار گسترده، رویدادهای گذرای نوری را در آسمان شب جستوجو میکند. آنها به دنبال نشانههای نوری از پدیدههای اخترفیزیکی بودند که همزمان با رویداد چندتایی نوترینویی شناساییشده توسط IceCube رخ داده باشند.
با وجود جستوجوی دقیق، هیچ نشانهای از ابرنواخترها، رویدادهای گسست کشندی یا دیگر پدیدههای انفجاریِ همزمان با این رویداد نوترینویی یافت نشد. اما این «عدم کشف» برخلاف تصور اولیه، بهشدت ارزشمند و آموزنده بوده است. در واقع، همین نتیجه منفی به تیم کمک کرده تا محدودیتهای دقیقتری بر ویژگیهای رویدادهایی که میتوانند تولیدکننده چنین چندتاییهای نوترینویی باشند، اعمال کند؛ ویژگیهایی مانند میزان درخشندگی و مدت زمان این رویدادها. همچنین این نتیجه مسیر تازهای را برای جامعه اخترشناسی در جهت حل یکی از بنیادیترین معماهای اخترفیزیک هموار کرده است. همانگونه که توشیکاگه در بیانیه خبری دانشگاه توهوکو گفته است:
«گرچه این بار هیچ منبع گذرایی پیدا نکردیم، اما نتایج ما نشان میدهد که حتی عدمکشف نیز میتواند بینشهای قدرتمندی در اختیارمان بگذارد. چنین نتایجی به ما کمک میکنند مدلهایمان را اصلاح کنیم و جستوجوهای آینده را برای یافتن منشأ واقعی نوترینوهای پرانرژی هدایت کنیم.»
نوترینوها از مرموزترین ذرات شناختهشدهاند؛ آنها تقریباً بدون برهمکنش از ماده عبور میکنند و همین امر ردیابی مسیر و منشأشان را بسیار دشوار میسازد. با این حال، وقتی چند نوترینوی پرانرژی از یک نقطه مشابه در آسمان و در بازه زمانی کوتاهی مشاهده میشود، احتمال اینکه منشأ مشترکی داشته باشند بالا میرود. اگر چنین ردیابیهایی با رویدادهای نوری یا الکترومغناطیسی همراه شوند، اخترفیزیکدانان میتوانند برای نخستینبار به سرنخهایی قطعی درباره مکان و ماهیت سازوکارهای تولید این ذرات دست یابند.
نتایج این مطالعه نشان میدهد که رویدادهایی مانند ابرنواخترهای بسیار پرانرژی، انفجارهای کوتاهمدت، یا گسستهای کشندی اگر منشأ چندتاییهای نوترینویی باشند، باید دارای مشخصات دقیقی باشند که اکنون محدودیتهای آن بهتر شناخته شده است. این محدودیتها دامنه جستوجو برای منشأ ذرات پرانرژی را بهطور قابلتوجهی کوچکتر کرده و مدلهای نظری را به چالش میکشد.
گام بعدی این تیم انجام مشاهدات سریع و پیدرپی برای شناسایی همتایان نوری دیگر برای چندتاییهای نوترینویی IceCube خواهد بود. پژوهشگران امیدوارند با استفاده از روشهای تحلیلی جدیدی که در این مطالعه توسعه دادهاند، بتوانند در آینده نزدیک منشأ کیهانی همه ذرات پرانرژی منتشرشده در سراسر جهان را شناسایی کنند. نوترینوهای پرانرژی از جمله نشانههای نایاب اما بسیار مهم رویدادهای خشن و قدرتمند کیهانیاند و کشف منشأ آنها میتواند دریچه مهمی به سوی فهم بهتر کیهان اولیه، ساختار کهکشانها و سازوکارهای تولید انرژی در جهان باز کند.
این پژوهش نشان میدهد که حتی نتایج منفی میتوانند نقطه عطفی در پژوهشهای علمی باشند. با هر محدودیت تازه و هر چارچوب نظری اصلاحشده، اخترفیزیکدانان به حل معماهای دیرپای کیهان نزدیکتر میشوند؛ معماهایی که پاسخش میتواند درک ما از جهان را دگرگون کند. در نهایت، پژوهشهای آینده که با همکاری سامانههای رصدخانهای پیشرفته مانند IceCube و ZTF انجام خواهند شد، میتوانند منشأ اسرارآمیز نوترینوهای پرانرژی را برای همیشه آشکار کنند؛ ذراتی که همچنان یکی از کلیدهای فهم عمیقتر از رخدادهای پرانرژی و پنهان در کیهان به شمار میروند.