كاشف تحت الأرض قد يلتقط ضوء النجوم الأقدم من الأرض

أقدم ضوء في الكون

عندما ينهار نجم ضخم إلى نجم نيوتروني أو black hole، يطلق انفجار من neutrinos بكثافة عالية جداً بحيث يمكن لانفجار supernova في مجرة بعيدة أن يرسل إشارات قابلة للكشف عبر مليارات السنين الضوئية من الفضاء. كان اكتشاف عام 1987 لـ neutrinos من supernova في Large Magellanic Cloud — مجرة مجاورة تبعد حوالي 168,000 سنة ضوئية — لحظة تاريخية في الفيزياء الفلكية، حيث فتح نافذة مراقبة جديدة على أحد أكثر الأحداث عنفاً في الكون.

لكن supernovae القريبة الفردية نادرة. الغالبية العظمى من الوفيات النجمية حدثت على مسافات كونية، على مدار 13.8 مليار سنة من تاريخ الكون. انفجاراتها الفردية من neutrinos، المدمجة عبر الزمن والفضاء الكوني، أنتجت خلفية من neutrinos أثيرية تنتشر في الكون — خافتة، قادمة من جميع الاتجاهات، وتحمل معلومات عن التاريخ الكامل للموت النجمي من أقرب العصور لتكوين البنية حتى الوقت الحاضر.

تم التنبؤ نظرياً بإشعاع خلفية supernova المنتشرة هذا لعقود. الكشف عنه هو الهدف التالي الكبير لفيزياء neutrino الفلكية، وجيل جديد من كاشفات تحت الأرض العميقة في متناول اليد لتحقيق ذلك.

التحدي التقني

الكشف عن خلفية supernova المنتشرة أمر استثنائي الصعوبة. neutrinos المعنية منخفضة الطاقة — في نطاق بضع عشرات من MeV — وتصل بمعدل ربما بضعة أحداث في السنة لكل ألف طن متري من مادة الكاشف. فصل هذه الإشارات الفيزيائية الفلكية الحقيقية عن الخلفيات التي تنتجها reactor neutrinos والـ neutrinos الجوية والتحللات المشعة داخل الكاشف يتطلب كاشفات ضخمة جداً بنقاء استثنائي، تُشغل عميقة تحت الأرض لحماية ضد خلفيات الأشعة الكونية.

كاشف Super-Kamiokande في Japan كان الرائد العالمي في هذا البحث. التحسينات الأخيرة التي تتضمن gadolinium في حجم الماء في الكاشف — والتي تحسن بشكل كبير القدرة على تحديد neutrons المنتجة في أحداث inverse beta decay — جلبت الكاشف على مسافة من الحساسية الكافية لرصد الإشارة. أظهرت البيانات الأولية من الكاشف المحدث تلميحات مغرية متسقة مع الإشارة المتوقعة، رغم عدم الوصول بعد إلى الأهمية الإحصائية الكافية لادعاء اكتشاف حاسم.

ما سيكشفه الاكتشاف

الكشف الواثق عن خلفية supernova المنتشرة سيحقق عدة قياسات فيزيائية مهمة. الشدة الكلية للإشارة تحد من معدل supernova الكوني الكلي — كم عدد الوفيات النجمية التي حدثت لكل وحدة حجم عبر التاريخ الكوني. طيف الطاقة من neutrinos المكتشفة يوفر معلومات عن الخصائص المتوسطة للانهيارات النجمية التي أنتجتها: متوسط كتلة المولد، متوسط ديناميات الانهيار، والكسر من الانهيارات التي تنتج black holes مقابل neutron stars.

هذه القياسات تتعلق بأسئلة أساسية في الفيزياء النجمية والكونية وأصل العناصر. Supernovae هي المصدر الأساسي لمعظم العناصر الثقيلة في الكون — الحديد والنيكل والمجموعة الكاملة من العناصر المركبة في nucleosynthesis النجمية والمشتتة في انفجارات supernova. فهم معدل وخصائص supernovae الماضية يحد من نماذج تطور المجرة الكيميائي وفي النهاية التاريخ الكوني للظروف التي جعلت الأنظمة الكوكبية مثل نظامنا ممكنة.

الجيل التالي من الكاشفات

خليفة Super-Kamiokande، Hyper-Kamiokande — كاشف أكبر بعشرين مرة قيد الإنشاء حالياً في نفس معدن Japan — سيكون له حساسية كافية لاكتشاف عالي الثقة في غضون سنوات من بدء التشغيل. Deep Underground Neutrino Experiment في الولايات المتحدة، باستخدام تكنولوجيا liquid argon، سيكمل الكاشفات المعتمدة على الماء بخصائص حساسية مختلفة، خاصة للجزء الأقل طاقة من الطيف.

معاً، تمثل هذه الأدوات خطوة تغيير حقيقي في قدرة فيزياء neutrino الفلكية. إذا تم اكتشاف خلفية supernova المنتشرة كما هو متنبأ به، فستكون أول قياس مباشر للتاريخ المتكامل لموت النجم الضخم عبر الزمن الكوني — تعداد كوني للعنف النجمي يمتد إلى حقب بعيدة قبل وجود Earth، أصبح مرئياً الآن من خلال أدوات مدفونة تحت الجبال للاستماع إلى أخفت أصداء أكثر الأحداث عنفاً في الكون.

هذا المقال يعتمد على التقارير من Space.com. اقرأ المقال الأصلي.