Generation of TeV Photons by PeV Neutrinos in Dense Astrophysical Environments

في أعماق الكون، بعيداً عن متناول أي آلة صُنعت على الأرض، تعمل الطبيعة كمسرع جسيمات بقوة لا يمكن تصورها. في هذه البيئات القاسية، مثل النوى العنيفة للنجوم المتفجرة أو النفاثات المنبعثة من الثقوب السوداء، تُصدم البروتونات مع بعضها البعض أو تصطدم بالضوء، مما يخلق دفقاً من الجسيمات الجديدة. ومن بين هذه الجسيمات توجد النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية نادراً ما تتفاعل مع أي شيء، والفوتونات، التي هي ببساطة جسيمات الضوء. لعقود من الزمن، طارد علماء الفلك هذه الرسائل عالية الطاقة لفهم كيفية تسريع الكون للمادة إلى هذه السرعات القصوى. وبينما رصدنا مؤخراً نيوترينوات بطاقات تزيد بمليون مرة عن أي شيء يمكننا إنتاجه في المختبر، ورأينا ضوءاً بكثافة مماثلة من انفجارات كونية بعيدة، ظل الربط المباشر بينهما عصياً على الفهم. كان التحدي يكمن في فهم كيف يمكن لنيوترينو، الذي يمر عبر كل شيء تقريباً، أن يُنتج ومضة ضوئية يمكننا رؤيتها بالفعل.

لقد اقترح فريق من الفيزيائيين الآن آلية محددة تجسر هذه الفجوة، مقترحين أنه في المحيط الكثيف والفوضوي للانفجار الكوني، يمكن لنيوترينو عالي الطاقة أن يصطدم ببروتون أو نيترون لينتج دفقة من الضوء. في دراستهم، حسب الباحثون ما يحدث عندما يصطدم نيوترينو، يتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء، بنوكليون (نواة ذرية) — وهو حجر البناء الأساسي للنواة الذرية. هذا الاصطدام يحطم النوكليون، مما يخلق رذاذاً من الجسيمات الأصغر التي تتكتل بسرعة لتشكل نوعاً من الجسيمات غير المستقرة يسمى "البيون المحايد". هذه البيونات عابرة؛ فهي توجد فقط لكسر ضئيل من الثانية قبل أن تتحلل، وتنفصل إلى فوتونين عاليي الطاقة. ووجد الباحثون أنه إذا حدث هذا التفاعل في الطبقات الخارجية الأكثر رقة لبيئة فيزيائية فلكية كثيفة، فإن هذه الفوتونات المتولدة حديثاً يمكنها الهروب من المادة المحيطة والسفر عبر الكون لتصل إلى تلسكوباتنا.

قام الفريق بإجراء عملية حسابية مفصلة لهذه العملية، متتبعين تدفق الطاقة من النيوترينو الأولي وصولاً إلى الدفقة الضوئية النهائية. لقد أخذوا في الاعتبار نيوترينوات تتراوح طاقاتها من واحد تريليون إلكترون فولت إلى 220 كوادريليون إلكترون فولت، وهو نطاق يتوافق مع الرصدات الأخيرة بواسطة مراصد مثل "آيس كيوب" (IceCube) و"كي إم 3 نت" (KM3Net). وتظهر نتائجهم أن هذه العملية فعالة بشكل مثير للدهشة. فمقابل كل نيوترينو تزيد طاقته عن واحد كوادريليون إلكترون فولت يصطدم بنوكليون في هذه المناطق الخارجية، هناك احتمال يزيد عن ثلاثة عشر بالمائة أن ينتج فوتوناً تتجاوز طاقته تريليون إلكترون فولت. وهذا احتمال كبير في عالم فيزياء الطاقات العالية، مما يشير إلى أن مثل هذه الأحداث قد تكون شائعة بما يكفي ليتم رصدها. كما كشفت الحسابات أن طاقة الضوء الناتج تعتمد على طاقة النيوترينو القادم، ولكن مع حد أدنى متميز؛ فحتى أكثر النيوترينوات طاقة لا يمكنها إنتاج ضوء بطاقة أقل من عتبة محددة يحددها كتلة البيون وكتلة النوكليون.

ولاختبار ما إذا كانت هذه الآلية النظرية يمكن أن تفسر الملاحظات الواقعية، طبق المؤلفون نموذجهم على حدث غامض ومحدد: الإشارة السابقة للانفجار لحدث GRB 221009A، وهو انفجار أشعة غاما تم رصده في أكتوبر 2022. قبل تسجيل الانفجار الرئيسي لهذا الحدث، رصدت مراصد أرضية في الصين، وتحديداً مرصد "إل هاسو" (LHAO), أربعة فوتونات عالية الطاقة وصلت قبل الحدث الرئيسي بعشرات الثواني. هذه الومضات المبكرة، المعروفة باسم فوتونات ما قبل الانفجار، كانت طاقاتها في نطاق التريليون إلكترون فولت، لكن أصلها ظل لغزاً، حيث لم تستطع النماذج القياسية لكيفية تشكل هذه الانفجارات تفسير ظهور الضوء مبكراً وبه هذه الطاقة العالية بسهولة. قام الباحثون بنمذجة رحلة نيوترينو تولد في أعماق النجم، حيث تكون المادة كثيفة جداً بحيث لا يمكن للضوء الهروب منها. وبينما يظل الضوء محبوساً، يطير النيوترينو خارجاً، مسافراً عبر الغلاف الخارجي للنجم. هناك، يصطدم بالبروتونات والنيترونات، خالقاً البيونات المحايدة التي تتحلل إلى الفوتونات عالية الطاقة التي نراها.

نجح النموذج في إعادة إنتاج توقيت وطاقة الفوتونات الأربعة التي رصدها مرصد "إل هاسو". وأظهرت الحسابات أن النيوترينوات المنتجة عند أعماق مختلفة داخل غلاف النجم ستصل إلى الأرض في أوقات متفاوتة قليلاً، مما يخلق دفقاً من الضوء السابق الذي يطابق النافذة الزمنية المرصودة قبل عشرات الثواني من الانفجار الرئيسي. كما أن الطاقات المتوقعة لهذه الفوتونات، والتي تقع بين أربعة وعشرة تريليون إلكترون فولت، تتوافق تماماً مع البيانات. وهذا يشير إلى أن الضوء المبكر لم يكن انبعاثاً مباشراً من الانفجار نفسه، بل كان إشارة ثانوية خلقتها النيوترينوات التي هربت من النجم أولاً ثم تحولت إلى ضوء قبيل وصولها إلى حافة البيئة الكثيفة.

يقدم هذا العمل تفسيراً ملموساً لظاهرة كانت في السابق تستعصي على التفسير البسيط. إنه يثبت أن النيوترينوات، التي غالباً ما تُعتبر مراقبين غير مرئيين، يمكن أن تعمل كمحفزات للضوء المرئي في أكثر الزوايا تطرفاً في الكون. ومن خلال ربط رصد النيوترينوات فائقة الطاقة بوصول الفوتونات عالية الطاقة، تقدم الدراسة طريقة جديدة لتفسير بيانات علم الفلك متعدد الرسائل، حيث تُستخدم أنواع مختلفة من الإشارات الكونية معاً لإعادة بناء تاريخ الحدث. لا تدعي النتائج أنها التفسير الوحيد الممكن لحدث GRB 221009A، لكنها تضع مساراً قابلاً للتطبيق وكمياً يتوافق مع البيانات المرصودة دون الحاجة إلى فيزياء جديدة. وإذا استمرت الملاحظات المستقبلية في رصد مثل هذه الإشارات السابقة، فقد تصبح هذه الآلية أداة قياسية لفهم الديناميكيات الخفية للانفجارات الكونية، وكشف كيفية انتقال وتحول الطاقة في أكثر الأحداث عنفاً في الكون.