لغز الإشارات الشاذة في القارة القطبية الجنوبية

يحاول العلماء حل لغز استمر عقدًا من الزمن من خلال تحديد هوية الإشارات الشاذة التي تم اكتشافها من أسفل الجليد في القارة القطبية الجنوبية.

ظهرت موجات الراديو الغريبة أثناء البحث عن ظاهرة أخرى غير عادية: الجسيمات الكونية عالية الطاقة المعروفة باسم النيوترينوات. وغالباً ما يُطلق على النيوترينوات التي تصل إلى الأرض من أقاصي الكون، اسم "الشبحية" لأنها شديدة التقلب، أو بخارية، ويمكنها المرور عبر أي نوع من المواد دون أن تتغير.

على مدى العقد الماضي، أجرى الباحثون تجارب متعددة باستخدام مساحات شاسعة من الماء والجليد المصممة للبحث عن النيوترينوات التي يمكن أن تلقي الضوء على الأشعة الكونية الغامضة، وهي الجسيمات الأكثر طاقة في الكون. وكان أحد هذه المشاريع هو تجربة الهوائي العابر الاندفاعي في القطب الجنوبي التابعة لوكالة ناسا، أو ما يُعرف اختصاراً بـ ANITA، التي حلقت بالونات تحمل أجهزة فوق القارة القطبية الجنوبية بين عامي 2006 و 2016.

وخلال هذا البحث، التقطت ANITA موجات راديوية شاذة لا يبدو أنها نيوترينوات.

وقد جاءت الإشارات من تحت الأفق، مما يشير إلى أنها مرت عبر آلاف الأميال من الصخور قبل أن تصل إلى الكاشف. لكن كان ينبغي أن تمتص الصخور موجات الراديو. اعتقد فريق ANITA أن هذه الإشارات الشاذة لا يمكن تفسيرها من خلال الفهم الحالي لفيزياء الجسيمات.

ولم تتمكن عمليات الرصد والتحليلات اللاحقة باستخدام أجهزة أخرى، بما في ذلك تلك التي أجراها مؤخراً مرصد بيير أوجيه في الأرجنتين، من العثور على نفس الإشارات. وقد نُشرت نتائج فريق بيير أوجيه في مجلة Physical Review Letters في مارس.

وقالت ستيفاني ويسل، الأستاذة المشاركة في الفيزياء وعلم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية بنسلفانيا، إن أصل الإشارات الشاذة لا يزال غير واضح.

وقالت ويسل: "تشير دراستنا الجديدة إلى أن مثل هذه الإشارات لم تُشاهد من قبل تجربة, مثل مرصد بيير أوجيه, لذا، فهي لا تشير إلى أن هناك فيزياء جديدة، بل تشير إلى المزيد من المعلومات التي يمكن إضافتها إلى القصة."

يقول العلماء إن أجهزة الكشف الأكبر حجماً والأكثر حساسية قد تكون قادرة على حل اللغز، أو إثبات ما إذا كانت الإشارات الشاذة مجرد صدفة، مع مواصلة البحث عن النيوترينوات الغامضة ومصادرها.

البحث عن النيوترينوات

يسمح الكشف عن النيوترينوات على الأرض للباحثين بتتبعها إلى مصادرها، والتي يعتقد العلماء أنها في المقام الأول أشعة كونية تضرب الغلاف الجوي لكوكبنا.

وتتكون الأشعة الكونية، وهي الجسيمات الأكثر طاقة في الكون، من بروتونات أو نوى ذرية في الغالب، وهي تتطاير في الكون لأن ما ينتجها هو مسرع جسيمات قوي لدرجة أنه يقزم قدرات مصادم الهدرونات الكبير. يمكن أن تساعد النيوترينوات علماء الفلك على فهم أفضل للأشعة الكونية وما يطلقها عبر الكون.

لكن من الصعب العثور على النيوترينوات لأنه ليس لها كتلة تقريباً ويمكنها المرور عبر أكثر البيئات تطرفاً، مثل النجوم والمجرات بأكملها، دون تغيير. ومع ذلك، فإنها تتفاعل مع الماء والجليد.

وقال جاستن فاندنبروك، الأستاذ المساعد في الفيزياء في جامعة ويسكونسن في ماديسون، إن تجربة "آنيتا" صُممت للبحث عن النيوترينوات الأعلى طاقة في الكون، وبطاقات أعلى مما تم اكتشافه حتى الآن. وقال إن الهوائيات الراديوية للتجربة تبحث عن نبضة قصيرة من الموجات الراديوية التي تنتج عندما يصطدم نيوترينو بذرة في جليد القطب الجنوبي، مما يؤدي إلى وابل من الجسيمات ذات الطاقة المنخفضة.

وخلال رحلاتها، وجدت ANITA نافورة عالية الطاقة من الجسيمات القادمة من الجليد، وهو نوع من وابل مقلوب من الأشعة الكونية. كما أن الكاشف حساس أيضاً للأشعة الكونية فائقة الطاقة التي تنهمر على الأرض وتخلق دفقة راديوية تعمل مثل شعاع من موجات الراديو.

عندما تشاهد أنيتا شعاعاً كونياً، فإن شعاع المصباح اليدوي هو في الحقيقة عبارة عن دفقة من الموجات الراديوية بطول جزء من المليار من الثانية يمكن رسم خريطة لها مثل الموجة لتوضيح كيفية انعكاسها عن الجليد.

شذوذ في البيانات

رصد الفريق الأصلي للتجربة مرتين في البيانات التي حصلوا عليها من رحلات "أنيتا" منها إشارات صادرة من خلال الجليد بزاوية أكثر حدة مما تنبأت به أي نماذج، مما يجعل من المستحيل تتبع الإشارات إلى مصادرها الأصلية.

وقالت ويسل: "كانت الموجات اللاسلكية التي رصدناها منذ ما يقرب من عقد من الزمان بزاوية حادة جداً، مثل 30 درجة تحت سطح الجليد".

قال فاندنبروكي إن النيوترينوات يمكن أن تنتقل عبر الكثير من المواد، ولكن ليس على طول الطريق عبر الأرض.

وكتب في رسالة بالبريد الإلكتروني: "من المتوقع أن تصل من أسفل الأفق بقليل، حيث لا يوجد الكثير من الأرض لكي يتم امتصاصها, إن الأحداث الشاذة من ANITA مثيرة للاهتمام لأنها تأتي على ما يبدو من أسفل الأفق، لذلك يجب أن تنتقل النيوترينوات عبر جزء كبير من الأرض. وهذا غير ممكن وفقاً للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات."

قام فريق بيير أوجيه Collaboration، الذي يضم مئات العلماء من جميع أنحاء العالم، بتحليل بيانات تزيد عن عقد من الزمن لمحاولة فهم الإشارات الشاذة التي رصدتها ANITA.

كما استخدم الفريق مرصدهم لمحاولة العثور على نفس الإشارات. ومرصد أوجيه هو كاشف هجين يستخدم طريقتين للعثور على الأشعة الكونية ودراستها. وتعتمد إحدى الطريقتين على العثور على الجسيمات عالية الطاقة أثناء تفاعلها مع الماء في خزانات على سطح الأرض، والأخرى تتبع التفاعلات المحتملة مع الأشعة فوق البنفسجية في أعالي الغلاف الجوي لكوكبنا.

يقول بيتر غورهام، أستاذ الفيزياء في جامعة هاواي في مانوا: "يستخدم مرصد أوجيه تقنية مختلفة جداً لرصد زخات هواء الأشعة الكونية فائقة الطاقة، باستخدام التوهج الثانوي للجسيمات المشحونة أثناء اجتيازها الغلاف الجوي لتحديد اتجاه الشعاع الكوني الذي بدأها, باستخدام المحاكاة الحاسوبية لما سيبدو عليه مثل هذا الوابل من الجسيمات إذا كان يتصرف مثل أحداث أنيتا الشاذة، فإنهم قادرون على توليد نوع من القوالب لأحداث مماثلة ثم البحث في بياناتهم لمعرفة ما إذا كان أي شيء من هذا القبيل يظهر."

قام غورهام، الذي لم يشارك في البحث الجديد، بتصميم تجربة ANITA وأجرى أبحاثاً أخرى لفهم المزيد عن الإشارات الشاذة.

قال فاندنبروكي إنه في حين أن مرصد أوجيه صُمم لقياس زخات الجسيمات الهابطة إلى الأسفل التي تنتجها الأشعة الكونية فائقة الطاقة في الغلاف الجوي، فقد أعاد الفريق تصميم تحليل بياناته للبحث عن زخات الجسيمات الهابطة إلى الأعلى. لم يعمل فاندنبروك على الدراسة الجديدة، لكنه قام بمراجعتها قبل نشرها.

وقال: "لدى أوجيه منطقة تجميع هائلة لمثل هذه الأحداث، أكبر من ANITA, إذا كانت أحداث ANITA الشاذة تنتج عن أي جسيمات تنتقل عبر الأرض ثم تنتج زخات متجهة إلى أعلى، فكان ينبغي على أوجيه أن يكتشف الكثير منها، ولم يفعل ذلك."

كما بحثت دراسة متابعة منفصلة باستخدام تجربة IceCube، التي تحتوي على أجهزة استشعار مدمجة في أعماق جليد القطب الجنوبي، عن الإشارات الشاذة.

كتب فاندنبروك، الذي شغل منصب الرئيس المشارك لمجموعة عمل مصادر نيوترينو مكعب الجليد بين عامي 2019 و 2022: "نظرًا لأن IceCube حساس للغاية، فلو كانت الأحداث الشاذة في أنيتا نيوترينوات لكنا اكتشفناها".

وقال فيسيل: "إنها مشكلة مثيرة للاهتمام لأننا ما زلنا لا نملك في الواقع تفسيراً لماهية هذه الحالات الشاذة، ولكن ما نعرفه هو أنها على الأرجح لا تمثل نيوترينوات".

ومن الغريب أن هناك نوعاً مختلفاً من النيوترينو، يسمى نيوترينو تاو، وهو إحدى الفرضيات التي طرحها بعض العلماء كسبب للإشارات الشاذة.

يمكن أن تتجدد نيوترينوات تاو. عندما تضمحل عند طاقات عالية، فإنها تنتج نيوترينو تاو آخر، بالإضافة إلى جسيم يسمى تاو ليبتون يشبه الإلكترون، ولكنه أثقل بكثير.

ولكن ما يجعل سيناريو نيوترينو تاو غير مرجح للغاية هو انحدار الزاوية المتصلة بالإشارة، كما قال فيسل.

وقال ويسل: "أنت تتوقع أن تكون جميع نيوترينوات تاو هذه قريبة جداً جداً من الأفق، ربما درجة إلى خمس درجات تحت الأفق, هذه هي 30 درجة تحت الأفق. هناك الكثير من المواد. فهي في الواقع ستفقد قدرًا كبيرًا من الطاقة ولن تكون قابلة للرصد."

مستقبل الكشف

في نهاية المطاف، لا يملك غورهام والعلماء الآخرون أي فكرة عن أصل الأحداث الشاذة التي تحدث في أنيتا. فحتى الآن، لا توجد تفسيرات تتطابق مع الإشارات، وهو ما يستمر في جذب العلماء لمحاولة حل اللغز. ومع ذلك، قد تكون الإجابة في الأفق.

يعمل فيسل أيضاً على كاشف جديد هو "حمولة لرصد الطاقة الفائقة" أو PUEO، والذي سيحلق فوق القارة القطبية الجنوبية لمدة شهر ابتداءً من ديسمبر. قال فيسل إن هذا الكاشف أكبر حجماً وأكثر حساسية من "آنيتا" بعشر مرات، ويمكن أن يكشف عن المزيد من المعلومات حول سبب الإشارات الشاذة التي يكتشفها "آنيتا".

قالت ويسل: "في الوقت الحالي، هذا أحد هذه الألغاز التي طال أمدها, أنا متحمس لأننا عندما نطير PUEO، سيكون لدينا حساسية أفضل. ومن حيث المبدأ، ينبغي أن نكون قادرين على فهم هذه الحالات الشاذة بشكل أفضل، الأمر الذي سيقطع شوطاً طويلاً لفهم خلفياتنا وفي نهاية المطاف اكتشاف النيوترينوات في المستقبل."

قال غورهام إن PUEO، وهو اختصار يشير إلى بومة هاواي، يجب أن يكون لديه الحساسية لالتقاط العديد من الإشارات الشاذة ومساعدة العلماء في العثور على إجابة.

قالت ويسل: "في بعض الأحيان، عليك أن تعود إلى لوحة الرسم وتكتشف ماهية هذه الأشياء, السيناريو الأكثر ترجيحًا هو أنها بعض الفيزياء الدنيوية التي يمكن تفسيرها، لكننا نطرق جميع الأبواب نوعًا ما لمحاولة معرفة ماهيتها."