ذرهای بیسابقه و پرسشهایی دربارهٔ منشاء آن
رویداد نوترینویی KM3-230213A که در سال ۲۰۲۳ ثبت شد، توسط یک ذرهٔ نوترینو با انرژی بیسابقهٔ حدود ۲۲۰ پتاالکترونولت متمایز شد — مقداری بیش از بیست برابر رکورد قبلی. چنین انرژی عظیمی فوراً سؤالهای بنیادینی دربارهٔ مکانیزم تولید آن به وجود آورد: چه فرآیندی میتواند نوترینویی با این انرژی را تولید کند؟
در یک مقالهٔ نظری جدید، الکساندرا کلیپفل و دیوید کایزر از مؤسسهٔ فناوری ماساچوست پیشنهاد دادهاند که این نوترینو میتواند از انفجاری کوچک اما شدید ناشی از تبخیر یک سیاهچالهٔ نخستین (primordial black hole) سرچشمه گرفته باشد که با تابش هاوکینگ بهطور ناگهانی از بین رفته است. اگر این تفسیر درست باشد، رویدادهایی مانند KM3-230213A ممکن است نخستین شواهد مشاهدهای برای تابش هاوکینگ باشند — پدیدهای که سالها فقط در نظریه وجود داشت.
زمینهٔ علمی: سیاهچالههای نخستین و تابش هاوکینگ
تابش هاوکینگ چیست؟
تابش هاوکینگ پدیدهای است که بر پایهٔ مکانیک کوانتومی و نسبیت عام پیشبینی شده و نشان میدهد که سیاهچالهها میتوانند انرژی و ذرات گسیل کنند. هرچه جرم سیاهچاله کمتر باشد، دمای تابش آن بالاتر و انرژی ذراتِ گسیلشده بیشتر است. برای سیاهچالههای بسیار کوچک — مانند آنچه نظریه میگوید ممکن است در لحظات نخستِ کیهان تشکیل شده باشند — تبخیر نهایی به صورت یک انفجار بسیار پرانرژی ظهور میکند.
سیاهچالههای نخستین و مادهٔ تاریک
سیاهچالههای نخستین (PBH) فرضیاتی هستند که میگویند نوسانات کوانتومی در کسری از ثانیهٔ اولیهٔ جهان میتوانست مناطقی با چگالی بالا پدید آورد که به سیاهچاله تبدیل شوند. اگر بخش قابلتوجهی از مادهٔ تاریک را سیاهچالههای نخستین تشکیل دهند، میتوانند همزمان دو مسئلهٔ بزرگ کیهانشناسی را پیوند بزنند: منشأ مادهٔ تاریک و منشاء برخی نوترینوهای پرانرژی. کلیپفل و کایزر بر همین فرضیه بنا کردهاند که اگر حتی بخش کوچکی از مادهٔ تاریک از PBHها باشد، برخی از آنها ممکن است هنوز امروز تبخیر شوند و ذرات پرانرژی آزاد کنند.
محاسبات، فاصلهٔ لازم و احتمال مشاهده
کلیپفل و کایزر میزان تابش هاوکینگی را که یک سیاهچالهٔ کوچک در آخرین لحظات زندگیاش منتشر میکند محاسبه کردند. مطابق نتایج آنها، در یک نانوثانیهٔ پایانی، سیاهچالهای با جرمی در حد جرمیِ یک سیارک میتواند حدود یک سکستیلیون (10^21) نوترینو منتشر کند که توزیع انرژی بعضیشان در محدودهٔ مشاهدهشده برای KM3-230213A قرار میگیرد.
با این حال، برای اینکه یکی از آن نوترینوهای با انرژی بالا زمین را برخورد کند و توسط آشکارسازهای زمینی ثبت شود، انفجار باید نسبتاً نزدیک رخ داده باشد: در فاصلهای کمتر از حدود ۲۰۰۰ واحد نجومی (معادل تقریباً ۰٫۰۳ سال نوری) — یعنی درون ابر اُرت که مرز گرانشی منظومهٔ شمسی را تعریف میکند. با در نظر گرفتن فراوانی احتمالی PBHها در سناریوی مورد نظر، محاسبات آنها احتمال این را داد که وقوع چنین انفجاری در محدودهٔ مورد نیاز برای تولید KM3-230213A، کمی کمتر از ۸ درصد باشد.
این احتمال گرچه پایین است، اما آنقدر هم کوچک نیست که ارزش پیگیری نداشته باشد؛ بهخصوص که تا کنون توضیح جایگزینی که هم نوترینوهای بسیار پرانرژی و هم نوترینوی فوقالعاده پرانرژی را توجیه کند، ارائه نشده است.
پیامدها برای فیزیک و اخترفیزیک
اگر تفسیر PBHها و تابش هاوکینگ برای KM3-230213A تأیید شود، پیامدهای بسیار بزرگی خواهد داشت:
- این میتواند اولین شواهد مشاهدهای تابش هاوکینگ باشد، پدیدهای که ارتباطی مستقیم بین گرانش و مکانیک کوانتومی برقرار میکند.
- حضور PBHها بهعنوان جزء عمدهای از مادهٔ تاریک میتواند یکی از بزرگترین معماهای کیهانشناسی را توضیح دهد.
- آشکارسازهای نوترینو مانند KM3NeT، IceCube و دیگر رصدخانهها ممکن است نیازمند برنامههای رصدی ویژه برای پایش انفجارهای محلی PBH شوند.
فناوریها و آزمایشهای مرتبط
آشکارسازی نوترینوهای با انرژی پتاالکترونولت نیازمند آشکارسازهایی با حجم بزرگ و حسپذیری بسیار بالا است. شبکههایی نظیر KM3NeT در مدیترانه و IceCube در قطب جنوب با استفاده از شمار زیادی حسگر نوری در حجمهای عظیم آب یا یخ، میتوانند چنین رویدادهایی را ثبت کنند. تقویت تحلیلهای آماری، جستجوی همزمان در طول موجهای دیگر (تابش گاما، پرتو ایکس) و ترکیب دادهها از چند آشکارساز شانس تأیید یا رد فرضیهٔ PBH را افزایش میدهد.
نتیجهگیری
پیشنهاد اینکه یک نوترینوی فوقپرقدرت میتواند بازماندهٔ «فریاد» یک سیاهچالهٔ تبخیرشونده باشد، ادعایی جسورانه و هیجانانگیز است. این تئوری، علاوه بر توضیح KM3-230213A و رویدادهای نوترینویی مشابه، مسیر مشخصی برای آزمایشهای آینده ارائه میدهد و پیوندی احتمالی بین تابش هاوکینگ و مسئلهٔ مادهٔ تاریک برقرار میسازد. با این حال، برای تبدیل این احتمال به نتیجهای قاطع نیاز به دادههای بیشتر، تحلیلهای متقاطع و همکاری جهانی در رصد و تفسیر دادههای نوترینویی است. در دههٔ پیشِ رو، آشکارسازها و رصدخانههای نوترینو ممکن است کلید پاسخ به یکی از بزرگترین پرسشهای فیزیک مدرن را در دست داشته باشند.