Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

قصة التحري الكوني: مطاردة الأشباح والتموجات

تخيل الكون كقاعة حفلات موسيقية ضخمة وفوضوية. لفترة طويلة، لم يكن بإمكاننا سوى الاستماع إلى الموسيقى باستخدام آذاننا — عبر رصد الضوء، وموجات الراديو، والأشعة السينية. ولكن في عام 2015، بنينا أخيرًا نوعًا جديدًا من الأدوات التي يمكنها "الشعور" باهتزازات القاعة نفسها. هذه هي الموجات الثقالية: تموجات في نسيج الزمكان ناتجة عن أجسام هائلة، مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، وهي تصطدم ببعضها البعض. الأمر يشبه الشعور باهتزاز الأرض عند ضرب طبل ضخم، حتى لو لم تستطع رؤية الطبال.

في الوقت نفسه، هناك رسل كونيون آخرون يُطلق عليهم النيوترينوهات. هذه جسيمات صغيرة شبحية تمر عبر الكون دون أن تصطدم تقريبًا بأي شيء. تُنتج هذه الجسيمات في أكثر الانفجارات عنفًا في الكون، مثل سكرات الموت للنجوم الضخمة. ولأن من الصعب جدًا الإمساك بها، فإن العثور على واحد منها يشبه محاولة رصد حبة رمل واحدة محددة وسط عاصفة رملية.

لدى العلماء سؤال كبير: هل يحدث هذان الشيئان معًا؟ عندما ينفجر نجم ضخم أو تندمج نجمان ميتان، هل يرسلان "ضربة" ثقالية و"شبحًا" من النيوترينو عالي الطاقة في نفس الوقت؟ إذا استطعنا رصد كليهما من نفس الحدث، فسيكون الأمر كما لو أننا سمعنا قرع الطبل ورأينا الطبال يلوح بضوء في آن واحد. سيؤكد ذلك بالضبط نوع العنف الكوني الذي أحدث الإشارة. يتحدث هذا البحث عن فريق من علماء الفلك يحاولون الإمساك بهذين المراسيل في حالة التلبس، باستخدام أكثر الكواشف حساسية في العالم.

المطاردة الكونية الكبرى

في هذه الدراسة، عمل فريق من الباحثين كتحرين كونيين، يبحثون عن نوع محدد من مسرح الجريمة: نيوترينو عالي الطاقة تم رصده بواسطة مرصد "آيس كيوب" (IceCube) في القارة القطبية الجنوبية. "آيس كيوب" هو كاشف ضخم مدفون في أعماق الجليد، ينتظر تلك النيوترينوهات الشبحية لتصطدم بذرة ما وتخلق ومضة من الضوء الأزرق. عندما يرصد "آيس كيوب" نيوترينو واعدًا، فإنه يرسل تنبيهًا يقول فيه: "مهلًا، حدث شيء كبير هناك!".

كانت مهمة الفريق هي النظر في البيانات الواردة من كاشفات الموجات الثقالية "ليغو" (LIGO) و"فيرجو" (Virgo) في اللحظة ذاتها ومن الاتجاه ذاته لتنبيه النيوترينو. أرادوا معرفة ما إذا كانت الكواشف قد شعرت بتموج في الزمكان في نفس الوقت. فكر في الأمر كالتالي: إذا سمع "آيس كيوب" صرخة من منزل معين، فإن كواشف الموجات الثقالية هي بمثابة الجيران الذين يتحققون مما إذا كانوا قد شعروا باهتزاز الأرض في تلك اللحظة تحديدًا.

لم يبحث الباحثون عن نوع واحد محدد من الاصطدامات، مثل اندماج ثقبين أسودين. بل استخدموا بحثًا "عامًا"، وهو ما يشبه الاستماع لأي صوت غريب — سواء كان اصطدامًا، أو انفجارًا، أو همهمة غريبة. لقد فحصوا 23 تنبيهًا للنيوترينو أرسلها "آيس كيوب" خلال فترة الرصد الرئيسية الثالثة للكواشف (المعروفة باسم O3). وتحققوا من البيانات في نافذة زمنية تبدأ من 500 ثانية قبل وصول النيوترينو وحتى 500 ثانية بعده، تحسبًا لعدم وصول الإشارات في نفس اللحظة تمامًا.

الحكم: صمت في القاعة الكونية

بعد إجراء تحليلهم المتطور، لم يجد الفريق... لا شيء. أو بالأحرى، لم يجدوا دليلًا على وجود إشارة موجات ثقالية أقوى من الضوضاء الخلفية العشوائية. الأمر كما لو أنهم سمعوا صرخة من منزل، ولكن عندما تحققوا من الأرضية، كانت ساكنة تمامًا.

يستبعد البحث صراحةً فكرة أن أحداث النيوترينو المحددة هذه كانت ناتجة عن أنواع الاندماجات أو الانفجارات العنيفة التي تنتج موجات ثقالية قوية ضمن المسافات التي يمكنهم رصدها. لم يجدوا "الدليل القاطع". ومع ذلك، هذا لا يعني أن النيوترينوهات لم تكن حقيقية؛ بل يعني فقط أنه إذا كانت ناتجة بالفعل عن انفجار كوني، فإن ذلك الانفجار لم يرسل موجة ثقالية قوية بما يكفي لكواشفنا الحالية، أو أنه حدث بعيدًا جدًا.

وللتأكد من نتائجهم، أجرى الفريق عمليات محاكاة. لقد تظاهروا بحقن إشارات موجات ثقالية وهمية في البيانات لمعرفة مدى بُعد المصدر الذي يمكن سماعه. ووجدوا أنه بالنسبة لاندماج نجمين نيوترونيين (اصطدام نجمين ميتين)، لكان بإمكانهم رؤيته لو حدث ضمن حوالي 30 إلى 60 مليون سنة ضوئية (30-60 ميجابارسيك). وبالنسبة لثقب أسود يبتلع نجمًا نيوترونيًا، كان بإمكانهم رؤيته حتى حوالي 70 إلى 140 مليون سنة ضوئية (70-140 ميجابارسيك). أما بالنسبة لأنواع أخرى من الإشارات الأكثر غرابة، فقد تباين مداهم من عشرات إلى بضع مئات من ملايين السنين الضوئية.

بما أنهم لم يجدوا أي إشارات ضمن هذه المسافات، فقد وضعوا "حدود الاستبعاد". وهذه طريقة منمقة للقول: "نحن متأكدون بنسبة 90% أنه لو وجد مصدر كهذا ضمن هذه المسافة، لكان بإمكاننا رؤيته. وبما أننا لم نره، فمن المحتمل أنه لم يكن موجودًا".

لاحظ الفريق أيضًا أن بحثهم كان "غير نمطي" (unmodeled)، مما يعني أنهم كانوا يبحثون عن أي شكل من أشكال الموجات، وليس فقط النمط المحدد لدوائر نجمين حول بعضهما البعض. وهذا يجعل البحث أقل حساسية من البحث المستهدف للأحداث المعروفة، ولكنه يسمح لهم بالإمساك بالإشارات الغريبة وغير المتوقعة. وحقيقة أنهم لم يجدوا شيئًا تشير إما إلى أن النيوترينوهات جاءت من مصادر لا تصدر موجات ث heavy، أو أن المصادر كانت ببساطة بعيدة جدًا بحيث لا تستطيع تقنيتنا الحالية الشعور بالتموجات.

ما التالي؟

يخلص البحث إلى أنه على الرغم من أن هذه المطاردة المحددة انتهت دون نتيجة، إلا أن الطريقة ناجحة وأن الكواشف تتحسن. يشير الفريق إلى أنه في دورات الرصد المستقبلية، سيكون بمقدورهم البحث عن أنواع مختلفة من أحداث النيوترينو (تسمى تنبيهات "الكاسكاد" أو الشلال) والتي من المرجح أن تكون قادمة من أعماق الفضاء. كما ذكروا أن كتالوجًا جديدًا من التنبيهات مع قدرة أفضل على تحديد الاتجاه سيكون متاحًا قريبًا، مما سيساعدهم على توجيه بحثهم بدقة أكبر.

في الوقت الحالي، تظل القاعة الكونية هادئة فيما يتعلق بهذه النيوترينوهات المحددة. لكن البحث مستمر، ومع كل دورة جديدة للكواشف، يستمع الفريق بتركيز أكبر قلي، آملين في الإمساك يومًا ما بتلك الصرخة والاهتزاز المتزامنين والمثاليين من حافة الكون.