کشف سیگنال‌های مرموز در اعماق یخ‌های قطب جنوب توسط ANITA ناسا

دانشمندان ناسا و دانشگاه پن‌استیت با بررسی داده‌های ماموریت ANITA در قطب جنوب، به سیگنال‌های رادیویی مرموزی در اعماق یخ‌های قطب جنوب برخورد کردند.

به گزارش تک‌ناک، مأموریت «آنتن‌گذرای ضربه‌ای جنوبگان» ناسا (ANITA) (مجموعه‌ای از ابزارهای علمی که روی بالون‌های غول‌پیکر در ارتفاع زیاد بر فراز یخ‌های قطب جنوب حمل می‌شد) بین سال‌های ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸، انفجارهایی از سیگنال‌های رادیویی را ثبت کرد، که هیچ شباهتی به داده‌های شناخته‌شده پیشین نداشت.

اکنون پژوهشی تازه، نوری نو بر این یافته‌های مرموز، نزدیک به یک دهه پس از ثبت اولیه تابانده است. پروژه ANITA در اصل برای بررسی پدیده‌های کیهانی دوردست طراحی شده بود و از امواج رادیویی حاصل از برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین استفاده می‌کرد. با وجود این، برخلاف پیش‌بینی‌ها، برخی از سیگنال‌ها به‌جای بازتاب از سطح یخ، به نظر می‌رسید که از زیر افق زمین سرچشمه می‌گیرند؛ پدیده‌ای که قوانین فعلی فیزیک ذرات، قادر به توضیح آن نبود و احتمال کشف ذرات یا برهم‌کنش‌های نو را در ذهن پژوهشگران زنده کرد.

دانشمندان برای پیگیری این معما، داده‌های رصدخانه «پیر اوژه» در آرژانتین را مورد بررسی قرار دادند. این تیم بین‌المللی با تحلیل ۱۵ سال داده از پرتوهای کیهانی، تلاش کرد ماهیت سیگنال‌های اسرارآمیز ANITA را روشن کند. یافته‌های این پژوهش که به‌ تازگی در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده است، گامی تازه در مسیر فهم رابطه میان پرتوهای کیهانی و ناشناخته‌های فیزیک ذرات به حساب می‌آید.

به‌ دنبال پاسخ برای سیگنال‌های مرموز در اعماق یخ‌های قطب جنوب

استفانی ویسل، دانشیار فیزیک، نجوم و اخترفیزیک و از اعضای گروه علمی ANITA، در توضیح یافته‌های اخیر گفت: «امواج رادیویی که نزدیک به یک دهه پیش شناسایی کردیم، از زاویه‌ای بسیار تند (حدود ۳۰ درجه زیر سطح یخ) ریشه می‌گرفتند. سرچشمه این پدیده‌ها هنوز نامعلوم است، اما پژوهش تازه ما نشان می‌دهد که چنین رویدادهایی در آزمایش‌های طولانی‌مدت‌تر، مانند رصدخانه پیر اوژه مشاهده نشده‌اند. بنابراین این یافته‌ها نشانه‌ای از فیزیک جدید نیستند، بلکه لایه‌ای تازه از داده‌ها را به داستان موجود اضافه می‌کنند.»

او در ادامه توضیح داد که محاسبات نشان می‌دهند این سیگنال‌های عجیب باید از میان هزاران کیلومتر سنگ جامد عبور کرده باشند تا به آشکارساز برسند؛ سفری که در شرایط معمول باید باعث جذب کامل امواج و محو سیگنال شود. ویسل تصریح کرد: «با پدیده‌ای روبه‌رو هستیم که هنوز توضیح قطعی برای آن وجود ندارد، اما آنچه می‌دانیم این است که این رویدادها به احتمال زیاد سرچشمه نوترینویی ندارند.»

نوترینوها، که از بنیادی‌ترین ذرات جهان و تقریبا بدون جرم و بار الکتریکی‌ هستند، در سراسر کیهان حضور دارند. آنها معمولا از منابع پرانرژی مانند خورشید، انفجارهای ابرنواختری یا حتی خود مهبانگ منتشر می‌شوند، اما به‌سختی قابل شناسایی‌ هستند. ویسل در توضیح دشواری این رصد گفت: «در هر لحظه، میلیاردها نوترینو از میان ناخن شما عبور می‌کنند، بی‌آنکه حتی اثری بر جا بگذارند. این همان جنبه‌ دوگانه‌ ماجرا است؛ اگر موفق به شناسایی آنها شویم، به این معنا است که ذره‌ای را دیده‌ایم که مسافتی نجومی -شاید حتی سفری از لبه‌ جهان قابل مشاهده- را بدون هیچ برهم‌کنشی پیموده است.»

پنجره‌ای به اعماق کیهان با کمک ANITA

ذراتی که از رویدادهای دوردست کیهانی به زمین می‌رسند، گاهی بیش از هر تلسکوپ عظیم و پرقدرتی، رازهای جهان را بر ما آشکار می‌کنند. دکتر ویسل بیان کرد که این ذرات با سرعتی نزدیک به نور و بدون آنکه در مسیر آنها اختلالی ایجاد شود، از اعماق فضا می‌گذرند و نشانه‌هایی از رخدادهایی را با خود می‌آورند که میلیون‌ها سال نوری از ما فاصله دارند. او به همراه گروه‌هایی از دانشمندان در سراسر جهان، در تلاش است تا آشکارسازهایی فوق‌حساس طراحی کند که حتی ضعیف‌ترین سیگنال‌های نوترینو را ثبت کنند.

ویسل عنوان کرد: «هر سیگنال هرچند کوچک، گنجینه‌ای از اطلاعات در خود دارد؛ هیچ داده‌ای بی‌اهمیت نیست.» وی تصریح کرد: «ما از آشکارسازهای رادیویی برای ساخت تلسکوپ‌های عظیم نوترینویی استفاده می‌کنیم تا بتوانیم رویدادهایی بسیار نادر را شکار کنیم.» ویسل پیش‌تر آزمایش‌هایی برای رهگیری نوترینوها در جنوبگان و آمریکای جنوبی طراحی کرده است.

پروژه‌ ANITA یکی از همین تلاش‌ها است؛ بالن مجهز به آشکارساز رادیویی که در هوای پاک و بدون تداخل جنوبگان بر فراز پهنه‌های یخی به پرواز درمی‌آید تا تابش‌های ناشی از برخورد نوترینوها با یخ (موسوم به «دوش‌های یخی») را ثبت کند. ویسل توضیح داد: «آنتن‌های ما روی بالنی قرار دارند که حدود ۴۰ کیلومتر بالاتر از یخ‌های جنوبگان پرواز می‌کند. این آنتن‌ها به سمت یخ نشانه می‌روند تا امواج رادیویی ناشی از برهم‌کنش نوترینوها را شناسایی کنند.» نوترینوهای خاصی که هدف این آزمایش‌ هستند، «نوترینوهای تاو» نام دارند. این ذرات هنگام واکنش، ذره‌ای دیگر به نام «لپتون تاو» آزاد می‌کنند که پس از خروج از یخ، انرژی خود را از دست می‌دهد و فرو‌می‌پاشد؛ فرایندی که تابش‌هایی موسوم به «دوش‌های هوایی» پدید می‌آورد. ویسل این پدیده را چنین توصیف کرد: «اگر با چشم قابل دیدن بود، دوش‌های هوایی شبیه درخشش جرقه‌ای بودند که در هوا می‌چرخد و رد نوری در پشت خود به جا می‌گذارد.»

پژوهشگران با تمایز میان دوش‌های یخی و هوایی می‌توانند ویژگی‌های ذرات ایجادکننده سیگنال را تعیین کنند و مسیر آنها را تا منبع اصلی‌ بازسازی نمایند. اما یافته‌های تازه‌ی ANITA همه‌چیز را پیچیده‌تر کرده است، چرا که این سیگنال‌های غیرعادی در اعماق یخ‌های قطب جنوب، برخلاف قوانین فیزیکی شناخته‌شده، از زاویه‌ای بسیار تندتر از پیش‌بینی مدل‌های فعلی بازتاب یافته‌اند.

ناهنجاری‌هایی بدون منبع مشخص

دانشمندان با تحلیل دقیق داده‌های گردآوری‌شده از چندین ماموریت پروژه ANITA و مقایسه آن با مدل‌های ریاضی و شبیه‌سازی‌های جامع از پرتوهای کیهانی و دوش‌های هوایی صعودی، توانستند نویزهای مزاحم را حذف کنند و احتمال وجود هرگونه سیگنال ناشی از ذرات شناخته‌شده را کنار بگذارند.

در گام بعد، تیم تحقیقاتی داده‌های به‌دست‌آمده را با نتایج دیگر آشکارسازهای مستقل مانند آزمایش IceCube و رصدخانه Pierre Auger تطبیق داد تا مشخص شود که آنها نیز پدیده‌ای مشابه را ثبت کرده‌اند یا خیر. اما نتیجه شگفت‌آور بود: هیچ‌کدام از این سامانه‌ها چیزی مشابه یافته‌های ANITA را مشاهده نکرده بودند. از همین رو، پژوهشگران این پدیده را «ناهنجار» توصیف کردند؛ یعنی سیگنالی که سرچشمه آن به نوترینوها بازنمی‌گردد.

به گفته ویسل، در زمان کشف نخستین سیگنال‌ها، گمانه‌زنی‌های فراوانی مطرح شد؛ برخی معتقد بودند که این پدیده‌ها با مدل استاندارد فیزیک ذرات سازگار نیستند و گروهی دیگر احتمال می‌دادند که نشانه‌ای از ماده تاریک باشند. اما فقدان شواهد مشابه در داده‌های IceCube و Auger، اکنون دامنه احتمالات را به‌شدت محدود کرده است.

ویسل که بیش از یک دهه روی پروژه‌های بالن‌محور پژوهش کرده است، عنوان کرد که تیم او در حال طراحی نسل بعدی آشکارساز است؛ سامانه‌ای بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر به نام PUEO که می‌تواند حساسیت بالاتری در شناسایی سیگنال‌های نوترینو داشته باشد و شاید راز این سیگنال‌های مرموز اعماق یخ‌های قطب جنوب را فاش کند.

وی تصریح کرد: «گمان می‌کنم نوعی اثر خاص در انتشار امواج رادیویی در نزدیکی یخ یا افق زمین وجود دارد که هنوز به درستی درک نشده است. ما سناریوهای مختلفی را بررسی کرده‌ایم اما هنوز پاسخ قطعی نداریم. این یکی از معماهای دیرپای فیزیک است و من مشتاق هستم، چرا که با پرواز PUEO و حساسیت بالاتر آن، می‌توانیم برای نخستین‌بار به درک واقعی این ناهنجاری‌ها و در نهایت به کشف مستقیم نوترینوها نزدیک شویم.»

این پروژه با حمایت مالی وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم (NSF) پیش می‌رود؛ تلاشی علمی که ممکن است فصل تازه‌ای در شناخت ما از جهان هستی بگشاید.

نوشته کشف سیگنال‌های مرموز در اعماق یخ‌های قطب جنوب توسط ANITA ناسا اولین بار در Technoc. پدیدار شد.