يقترح العلماء أن النيوترينو الشديد من عام 2023 جاء من انفجار ثقب أسود بشحنة مظلمة

وقد سجل كاشف KM3NeT، المثبت في قاع البحر الأبيض المتوسط، في فبراير 2023، نيوترينو بطاقة تقدر بحوالي 100 PeV. يتجاوز هذا الحدث، المسمى KM3-230213A، الطاقة النموذجية للنيوترينوات الشمسية بمليارات المرات، ويمثل الحدث الأكثر نشاطًا الذي تم التقاطه بواسطة الأدوات البشرية على الإطلاق.

حدث الاكتشاف عندما تفاعل النيوترينو مع جزيئات الماء، مما أدى إلى إنتاج ومضات من الضوء تم اكتشافها بواسطة أجهزة استشعار تحت الماء. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن الأصل قد يكون مرتبطًا بالتبخر الانفجاري لثقب أسود بدائي ذي خصائص محددة.

وهذا النوع من الجسيمات يتحدى التفسيرات التقليدية، حيث لا توجد مصادر فيزيائية فلكية معروفة قادرة على توليد مثل هذه الطاقة. يعيد هذا الحدث إثارة المناقشات حول الظواهر المتطرفة في الكون البدائي.

تفاصيل الكشف في البحر الأبيض المتوسط

تعمل KM3NeT بآلاف الوحدات الضوئية الموزعة في خطوط مثبتة في قاع البحر. تلتقط هذه المستشعرات ضوء شيرينكوف الناتج عندما تمر جسيمات مثل النيوترينوات عبر الماء بسرعات عالية.

وفي 13 فبراير 2023، حدد النظام إشارة مكثفة تتوافق مع نيوترينو عالي الطاقة. أشارت إعادة بناء البيانات إلى جسيم يحتوي على 100 إلكترون فولت على الأقل، وهي قيمة تتجاوز الاكتشافات السابقة في المراصد الأخرى.

الطاقة مقارنة بالمسرعات الأرضية

وتعادل طاقة النيوترينو المكتشف نحو 100 ألف مرة تلك التي تنتج في الاصطدامات في مصادم الهادرونات الكبير. ونادرا ما تتفاعل الجسيمات التي تتمتع بهذا المستوى من القوة مع المادة العادية، مما يجعل التقاطها حدثا نادرا.

وبالمقارنة، تتمتع النيوترينوات الشمسية بطاقة أقل بملايين المرات. يسلط هذا الاختلاف الضوء على الطبيعة الاستثنائية للإشارة المسجلة بواسطة KM3NeT.

ما هي الثقوب السوداء البدائية

من المحتمل أن تكون الثقوب السوداء البدائية قد ظهرت في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير، من التقلبات الكثيفة في المادة. على عكس تلك التي تتشكل نتيجة انهيار النجوم، يمكن أن تكون لهذه الأجسام كتل صغيرة جدًا.

وهي تتبخر بمرور الوقت من خلال إشعاع هوكينج، وهي عملية نظرية اقترحها ستيفن هوكينج. وكلما كانت الكتلة أصغر، أصبح التبخر أسرع حتى مرحلة الانفجار النهائية.

• يحدث التكوين في أجزاء من الثانية بعد الانفجار الكبير
• وتتراوح كتلها من الأحجام الذرية إلى الكويكبات
• يتسارع التبخر مع انخفاض الكتلة
• تطلق المرحلة النهائية جزيئات عالية الطاقة

فرضية شبه متطرفة

تقترح الدراسات الحديثة أن النيوترينو يأتي من ثقب أسود بدائي شبه متطرف. تحتوي هذه الأجسام على شحنة إضافية في القطاع المظلم، مما يغير عملية التبخر.

إن وجود هذه الشحنة يبقي الثقب الأسود في حالة شحن قصوى تقريبًا بالنسبة إلى كتلته لفترة طويلة. يؤدي هذا إلى تعديل انبعاث الجسيمات، وتركيز الطاقة في أحداث محددة عالية الطاقة.

طور الباحثون في جامعة ماساتشوستس أمهرست نموذجًا يشرح إشارة KM3NeT. تعمل النظرية على حل التناقضات بين الملاحظات من أجهزة الكشف المختلفة.

الاختلافات عن النماذج البسيطة

تتنبأ النماذج القياسية للثقوب السوداء البدائية بانبعاثات جسيمية أكثر انتظامًا. تقوم أشباه المتطرفات بقمع النيوترينوات في نطاقات معينة من الطاقة، وهو ما يفسر سبب عدم تسجيل IceCube لأحداث مماثلة بنفس النسبة.

يعمل IceCube، الموجود في القارة القطبية الجنوبية، منذ عقدين من الزمن، وقد اكتشف نيوترينوات أعلى من 1 PeV، ولكن لم يقترب أي منها من مستوى KM3NeT. يتم تفسير هذا التناقض بالشحنة المظلمة الافتراضية.

إشعاع هوكينج في العمل

ينشأ إشعاع هوكينج من التأثير الكمي بالقرب من أفق الحدث. تصبح الجسيمات الافتراضية حقيقية، مما يقلل تدريجيًا من كتلة الثقب الأسود.

وفي المراحل النهائية، يسخن الجسم بسرعة ويطلق كمية كبيرة من الطاقة على شكل جزيئات أولية. تعد النيوترينوات من بين أصعب المنتجات التي يمكن اكتشافها بسبب تفاعلها المنخفض.

الآثار المترتبة على المادة المظلمة

يمكن للثقوب السوداء البدائية شبه المتطرفة أن تشكل بعض أو كل المادة المظلمة المرصودة في الكون. ومن شأن توزيعها أن يفسر تأثيرات الجاذبية في المجرات دون الحاجة إلى جسيمات جديدة.

Leia Tambem

اختبار البطارية الجديد يضع هاتف Galaxy S26 Ultra في المقدمة على iPhone 17 Pro Max في التصنيف العالمي

تكشف الأبحاث أن الآباء لا يدركون كيفية استخدام أطفالهم للذكاء الاصطناعي

خصم كبير على هاتف Galaxy S25 Plus يخفض قيمته إلى أقل من 4500 ريال في المتجر الإلكتروني

تتوافق ملاحظات الخلفية الكونية الميكروية والحركات المجرية مع هذا الاحتمال. اكتشاف المزيد من الأحداث المماثلة من شأنه أن يعزز الفرضية.

تفسيرات أخرى في الاعتبار

تشمل المصادر الفيزيائية الفلكية التقليدية نوى المجرات النشطة وانفجارات أشعة جاما. ومع ذلك، فإن هذه الأصول لا تنتج باستمرار نيوترينوات بهذه الطاقة العالية.

تم تحليل البلازارات والأشياء المتطرفة الأخرى كمرشحين. تفشل معظم النماذج في تفسير غياب الإشارات المترابطة عند الأطوال الموجية الأخرى.

خصائص الإشارة الفريدة

أظهر الحدث KM3-230213A مسارًا تصاعديًا، مما يشير إلى أن الأصل يقع تحت أفق الأرض. وهذا يلغي المصادر الجوية ويعزز المصدر الكوني.

وتختلف الطاقة المعاد بناؤها بين التقديرات، ولكنها تظل في حدود عشرات PeV. تعتمد الدقة على معايرة أجهزة الكشف تحت الماء.

• مسار متوافق مع أصل خارج المجرة
• غياب الميونات المصاحبة
• شدة أكبر من الأحداث السابقة
• التوافق مع نموذج الانفجار

آفاق الاكتشافات الجديدة

ومع توسعة KM3Net والتحسينات التي تم إدخالها على IceCube، من المتوقع أن تلتقط المزيد من النيوترينوات عالية الطاقة في السنوات القادمة. أحداث مماثلة يمكن أن تؤكد أو تدحض الفرضية شبه المتطرفة.

المراصد التكميلية في مواقع مختلفة على الكوكب تزيد من فرص التثليث. وشبكات الكشف العالمية قيد التطوير لهذا الغرض.

التقدم التكنولوجي في KM3Net

يستخدم كاشف البحر الأبيض المتوسط ​​خرزات زجاجية مقاومة للضغط مزودة بمضاعفات ضوئية حساسة. يسمح التكوين متعدد الخطوط بإعادة بناء التفاعلات ثلاثية الأبعاد.

موقع البحر العميق يقلل من الضوضاء الكونية والجوية. وهذا يفضل اكتشاف النيوترينوات منخفضة الطاقة مقارنة بمراصد الجليد.

مساهمات في فيزياء الجسيمات

إذا تم تأكيد ذلك، فإن أصل الثقب الأسود البدائي سيكشف عن جسيمات جديدة تتجاوز النموذج القياسي. الانفجار النهائي سوف ينبعث منه الكتالوج الكامل للجسيمات المحتملة في الكون.

وهذا يشمل المرشحين النظريين مثل الجرافيتونات والجسيمات فائقة التناظر. يمكن للملاحظات المستقبلية أن تحدد توقيعات محددة لهذه الانبعاثات.

توزيع الأحداث المتطرفة

يعتمد معدل انفجار الثقوب السوداء البدائية على وفرتها الأولية. تتنبأ النماذج بحوادث نادرة، ولكن يمكن اكتشافها باستخدام الأدوات الحالية.

إن القرب النسبي لحدث ما يفسر قوة الإشارة المستقبلة. تتوافق مسافات آلاف الوحدات الفلكية مع الملاحظات.

التكامل مع ملاحظات multimessenger

يجمع علم الفلك متعدد الرسائل بين النيوترينوات وموجات الجاذبية والضوء بأطوال موجية مختلفة. إن غياب الإشارات المرتبطة في حالة KM3-230213A يفضل الأصول غير التقليدية.

ولم تسجل أجهزة كشف أشعة جاما الانفجارات المرتبطة بالحدث. وهذا يعزز فرضية المصدر الذي يغلب عليه انبعاث النيوترينو.

تمثل دراسة نيوترينو 2023 تقدمًا كبيرًا في فهم الظواهر المتطرفة. إن الجمع بين بيانات الرصد والنماذج النظرية يفتح آفاقًا جديدة في الفيزياء الفلكية.