⚛️ high-energy experiments

Measurement of the Hubble constant with high-energy neutrinos

تقدم هذه الورقة أول تحقيق رصدي لطريقة سلم مسافة جديدة تعتمد على النيوترينو باستخدام نيوترينوهات فيزيائية فلكية عالية الطاقة من 12 مجرة سيفيرت لقياس ثابت هابل، مما أسفر عن نتيجة قدرها $H_0 = 49^{+40}_{-30}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ تتوافق مع التقديرات الحالية مع إظهار نهج مبتكر خالٍ من الأنظمة المنهجية للانتشار الكهرومغناطيسي.

المؤلفون الأصليون: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

نُشر 2026-08-04

📖 3 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل الكون كبالون عملاق يتمدد. لعقود من الزمن، حاول العلماء قياس سرعة انتفاخ هذا البالون بدقة. تُسمى هذه السرعة ثابت هابل ( $H_0$ )، ومعرفتها أمر بالغ الأهمية لأنها تخبرنا بعمر الكون وكيف سينتهي. لكن هذا هو الجزء الصعب: لكي تقيس سرعة التمدد، عليك أولاً أن تعرف المسافة الدقيقة إلى الأجسام البعيدة. إن قياس المسافات الكونية يشبه محاولة تخمين مدى بعد صديق عنك في غرفة مظلمة بمجرد سماع مدى علو صوته. عادةً، نستخدم الضوء (الفوتونات) كصوت له. لكن الضوء رسول متقلب؛ إذ يمكن حجبُه بواسطة الغبار، وامتصاصُه بواسطة الغاز، وتشتيتُه بواسطة السحب، مما يجعل من الصعب معرفة مدى علو الصوت الذي بدأ به فعلياً. وقد أدى هذا إلى خلاف هائل في عالم الفيزياء: إحدى مجموعات العلماء، باستخدام أقدم ضوء في الكون، تقول إن البالون يتمدد بسرعة معينة، بينما تقول مجموعة أخرى، باستخدام النجوم المتفجرة، إن السرعة أكبر. يُعرف هذا بـ "توتر هابل"، وهو أحد أكبر الألغاز في الفيزياء الحديثة.

الآن، تخيل رسولاً لا يهتم بالغبار أو الغاز أو الظلام. ادخل النيوترينو: ذلك الجسيم الصغير الشبيه بالأشباح، والذي يمكنه المرور عبر كواكب بأكملها دون الاصطدام بأي شيء. ولأنها تسافر دون أن تضعف أو تتأثر، فإن النيوترينوات مثالية لقياس المسافات الكونية دون "الضجيج" الذي يربك القياسات الضوئية. في هذه الدراسة الجديدة، قرر فريق من الباحثين تجربة جريئة: استخدام النيوترينوات عالية الطاقة القادمة من المجرات النشطة كمسطرة جديدة لقياس تمدد الكون. لم يكتفوا بالمحاكاة فحسب؛ بل نظروا في بيانات حقيقية من مرصد "آيس كيوب" (IceCube) للنيوترينو، القابع تحت جليد القارة القطبية الجنوبية، منتظراً مرور هذه الجسيمات الشبحية.

ركز الفريق على 12 مجرة محددة تسمى مجرات "سيفرت" (Seyfert galaxies). هذه المجرات هي محركات طاقة كونية ذات ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكزها، محاطة بـ "إكليل" (corona) ساخن ومتوهج من البلازما. استخدم الباحثون حيلة ذكية تعتمد على العلاقة بين نوعين من الطاقة تبعثهما هذه المجرات: الأشعة السينية والنيوترينوهات. فكر في الإكليل كأنه مطبخ؛ الأشعة السينية هي الحرارة القادمة من الموقد، والنيوترينوهات هي رائحة الطعام أثناء طهيه. افترض العلماء أنه إذا عرفت مدى سخونة الموقد (سطوع الأشعة السينية)، يمكنك التنبؤ بمدى قوة الرائحة (سطوع النيوترينو). إذا كانت الرائحة أضعف أو أقوى مما هو متوقع لحرارة معينة، فهذا يخبرك بمدى بعد المطبخ.

باستخدام بيانات من مجموعة "آيس كيوب" التي تمتد لـ 14 عاماً، وجد الفريق أنه بالنسبة لهذه المجرات الاثنتي عشرة، فإن العلاقة بين حرارة الأشعة السينية ورائحة النيوترينو ليست تطابقاً بسيطاً بنسبة 1 إلى 1. بدلاً من ذلك، وجدوا أنه كلما زاد سطوع المجرات في الأشعة السينية، فإن إشارة النيوترينو لا تنمو بالسرعة التي توقعتها بعض النظريات. وتحديداً، قاموا بقياس قيمة الميل $\beta = 0.67^{+0.16}_{-0.25}$ . تشير هذه النتيجة إلى أن "المطبخ" ليس فعالاً بشكل مثالي؛ إذ تصبح عملية إنتاج النيوترينو أقل كفاءة مع زيادة سطوع المجرة، مما ينفي فرضية "الحد الحراري" (calorimetric limit) حيث ستكون الكفاءة مثالية (قيمة $\beta = 1$ )، وذلك بنسبة يقين تصل إلى حوالي انحرافين معياريين.

ومع معايرة هذه "المسطرة النيوترينوية" الجديدة، قاموا بحساب ثابت هابل. وكانت نتيجتهم هي $H_0 = 49^{+40}_{-30}$ كم ث $^{-1}$ ميجابارسخ. وبينما لهذا الرقم هامش خطأ كبير (مما يعني أن القيمة الحقيقية قد تتراوح بين 19 و89)، إلا أنه يمثل خطوة أولى رائدة. فهو يظهر أن النيوترينوات يمكن بالفعل استخدامها كأداة جديدة لعلم الكونيات، بعيداً عن الغبار والغاز الذي يربك القياسات المعتمدة على الضوء. وتقع النتيجة بشكل مريح بين القيمتين المتضاربتين من الدراسات السابقة، مما يشير إلى أن النيوترينوات قد تساعد في النهاية في حل توتر هابل، ولكن بالنسبة الآن، فإن هذا القياس هو بمثابة إثبات للمفهوم أكثر من كونه إجابة نهائية. ويؤكد المؤلفون أنه رغم كبر حجم عدم اليقين، إلا أن الطريقة سليمة وتوفر طريقة جديدة وخالية من الانحيازات النظامية للنظر في الكون المتمدد.

ملخص تقني: قياس ثابت هابل باستخدام النيوترينوهات عالية الطاقة

بيان المشكلة
يعد تحديد مقياس الكون وحل "توتر هابل" (Hubble tension)—وهو التباين بنحو $5\sigma$ بين تقديرات الكون المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي Planck CMB) والكون المتأخر (المتغيرات القيفيةوية - المستعرات العظمى)—تحدياً مركزياً في علم الكونيات الحديث. تعتمد جميع المسابر المسافية الموجودة تقريباً على الفوتونات، وهي عرضة للأنظمة المنهجية للانتشار بما في ذلك الامتصاص الغباري، والامتصاص بين المجرات، والتشتت، ونمذجة انتقال الإشعاع المعقدة. تُدخل هذه التأثيرات شكوكاً يصعب فصلها عن الخصائص الجوهرية للمصدر. إن قياس المسافة باستخدام مرسال يمكنه عبور الكون دون تخامد سيتجاوز بالكامل هذه الأنظمة المنهجية الكهرومغناطيسية.

المنهجية
يقدم هذا العمل درجة جديدة في سلم المسافات الكونية باستخدام النيوترينوهات الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة من مصادر نقطية كـ "شموع قابلة للتقييس" (standardizable candles). تعتمد الطريقة على الارتباط الفيزيائي بين لمعان النيوترينو ( $L_\nu$ ) ولمعان الأشعة السينية ( $L_X$ ) في تيجان مجرات سيفرت (Seyfert galaxies)، والموصوف بعلاقة القوة:
$L_\nu = \kappa L_X^\beta$
حيث $\kappa$ هو ثابت التقييس و $\beta$ هو الميل الذي يرمز لفيزياء التاج (corona).

يستخدم التحليل عينة من 12 مجرة من مجرات سيفرت المختارة بالأشعة السينية والتي تم تحديدها في إصدار نقاط المصدر لـ 14 عاماً من بيانات IceCube. تعتمد المنهجية كما يلي:

التثبيت (Anchoring): يتم تثبيت السلم بواسطة مسافة غير مرتبطة بالإزاحة الحمراء لمجرة NGC 1068، مشتقة من مزيج من المتغيرات القيفيةوية (Cepheid variables) ونهاية فرع العمالقة الحمراء (TRGB) ( $10.93 \pm 0.74$ ميجابارسيك). هذا يكسر التحلل بين ثابت التقييس $\kappa$ وثابت هابل $H_0$ .
استخراج البيانات: يتم استخراج عدد إشارات النيوترينو ( $\hat{n}_s$ ) والشكوك الخاصة بها لكل مصدر باستخدام إطار احتمالية SkyLLH غير الموزعة المطبق على بيانات IceCube لـ 14 عاماً. وتؤخذ تدفقات الأشعة السينية ( $F_X$ ) من مسح BASS لـ AGN، مع تصحيحها للامتصاص.
بناء الاحتمالية (Likelihood Construction): يبني المؤلفون احتمالية غاوسية في فضاء اللمعان. يعتمد إشارة النيوترينو المتوقعة على ثابت هابل من خلال مسافة اللمعان $d_L(z, H_0)$ . وتحديداً، تتناسب الإشارة المتوقعة مع $d_L^{2(\beta-1)}$ . إذا كان $\beta = 1$ (حد القياس الحراري/calorimetric limit)، فإن اعتماد المسافة يلغي نفسه، مما يجعل الطريقة عمياء عن $H_0$ . لذلك، يتطلب القياس ميلاً غير الوحدة.
الاستدلال الإحصائي: يتم إجراء تحليل مونت كارلو عبر سلاسل ماركوف (MCMC) على فضاء المعلمات $\{H_0, \beta, d_{1068}\}$ . يتم استبعاد $\kappa$ تحليلياً عند كل تقييم للاحتمالية. يأخذ التحليل في الاعتبار السرعات المخصوصة وتصحيحات الإزاحة الحمراء في إطار الخلفية الكونية الميكروية، خاصة للمصادر ذات الإزاحة الحمراء المنخفضة.

النتائج الرئيسية
باستخدام عينة الـ 12 مصدراً، يقدم المؤلفون أول قياس لثابت هابل باستخدام النيوترينوهات الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة:
$H_0 = 49^{+40}_{-30} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1} \quad (68\% \text{ credible interval})$
ويقدم التحليل في الوقت نفسه أول قياس على مستوى المجموعة لنسبة لمعان النيوترينو إلى الأشعة السينية:
$\beta = 0.67^{+0.16}_{-0.25} \quad (68\% \text{ credible interval})$

النتائج الرئيسية والآثار الفيزيائية

ميل تحت-قياسي (Sub-calorimetric Slope): تفضل البيانات ميلاً تحت خطي ( $\beta < 1$ )، مما يستبعد حد القياس الحراري ( $\beta = 1$ ) عند حوالي $2\sigma$ . يشير هذا إلى أنه في تيجان مجرات سيفرت هذه، يصبح إنتاج النيوترينو أقل كفاءة لكل وحدة من لمعان الأشعة السينية مع زيادة سطوع المصدر. يقترح المؤلفون أن هذا قد يكون ناتجاً عن تبريد السينكروتروني لبيونات/ميونات ثانوية أو خسائر إنتاج أزواج بيت-هيتلر في التيجان المغناطيسية الكثيفة.
الاتساق مع المسابر الحالية: يتوافق $H_0$ المقاس مع كل من قيمة Planck CMB البالغة ( $67.4 \pm 0.5$ ) وقيمة SH0ES (القيفيةوية-المستعر الأعظم) البالغة ( $73.0 \pm 1.0$ ) ضمن نطاق $1\sigma$ ، وإن كان عدم اليقين الكبير يمنع هذا القياس من حل توتر هابل حالياً.
الحرية من الأنظمة المنهجية: القياس خالٍ من الأنظمة المنهجية للانتشار الكهرومغناطيسي (الامتصاص، التشتت). تنشأ الشكوك الأساسية من إحصاءات العد لكل مصدر ومن التشتت الجوهري في علاقة لمعان النيوترينو-الأشعة السينية (والتي تم استيعابها في عدم اليقين في تدفق الأشعة السينية).

الأهمية والادعاءات
يدعي البحث إثبات جدوى النيوترينوهات عالية الطاقة كمسبر كوزموغرافي (cosmographical probe) مبتكر. تكمن أهميته الأساسية في تأسيس درجة جديدة في سلم المسافات الكونية حيث لا تُطلب الفوتونات إلا عند المرساة المحلية (NGC 1068) ولا تُطلب أبداً على طول مسار الانتشار إلى المراقب. وبينما يقتصر الدقة الحالية على حجم العينة الصغير والمساحة الفعالة لـ IceCube، يتوقع المؤلفون أن مرصد IceCube-Gen2 القادم، مع زيادة قدرها $\sim 8\times$ في المساحة الفعالة، يمكن أن يقلل عدم اليقين في $H_0$ إلى $\sim 16\text{--}20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ مع $\sim 50$ مصدراً تم تحديدها. يثبت هذا العمل أن النيوترينوهات يمكن أن توفر قيوداً مستقلة على المسافة تكون محصنة ضد أنظمة امتصاص الغبار والامتصاص التي تحد من جميع مسابير المسافة الأخرى الحالية.

أبحاث مشابهة