باستخدام بيانات مرصد IceCube للنيوترينو، قاس العلماء لأول مرة توزيع الكثافة وكتلة وعزم القصور الذاتي للأرض، من خلال توهين تدفق النيوترينوات عالية الطاقة التي تخترق الكوكب.
الملخّص
باستخدام 10.7 سنوات من بيانات مرصد نيوترينو IceCube، أعاد العلماء بناء ملف كثافة الأرض. النيوترينوات عالية الطاقة (500 GeV – 100 TeV) تُمتص بواسطة المادة اعتمادًا على السمك المقطوع والطاقة. من خلال قياس توهين تدفق الجسيمات بزوايا مختلفة، تمكّن العلماء من ملاءمة نموذج طبقي لباطن الأرض وحساب الكتلة وعزم القصور الذاتي القطبي. هذه أدق القيم التي تم الحصول عليها عبر التفاعل الضعيف؛ وهي تتفق مع البيانات الزلزالية والجاذبية. إذا كان علم الزلازل "يستمع" إلى الأرض، فإن النيوترينوات تسمح "برؤية" صورتها الظلية من خلال الإنارة.
الروابط في شبكة المعرفة 1
ظل علم الزلازل لما يقرب من قرن من الزمن بمثابة الأشعة السينية الرئيسية للكوكب، تتلمس باطنه عبر الموجات المرنة. لكن النيوترينوات - وهي جسيمات شبحية تنبأ بها فولفغانغ باولي - تقدم منظوراً مختلفاً. وكما يدرس علماء الفلك أجواء العوالم البعيدة من خلال الطريقة التي يُرشح بها ضوء النجوم خلالها أثناء العبور، فإن مرصد IceCube للنيوترينو في القطب الجنوبي قد حوّل الأرض إلى كوكب خارجي خاص بها. تدفقات النيوترينوات عالية الطاقة، المولودة في النوى المجرية النشطة ومحيط الثقوب السوداء، تضيء الكوكب من عبوره - ومن خلال توهين هذا التدفق تظهر البنية الخفية للنواة والوشاح والقشرة.
لرصد نيوترينو واحد، يلزم جدار من الرصاص بسماكة سنة ضوئية. ومع ذلك، تستطيع الأرض أن توهن تدفق النيوترينوات بطاقة 100 تيرا إلكترون فولت بنسبة 50% تقريباً إذا عبرت عبر النواة.
يرصد تلسكوب IceCube ضوء شيرينكوف - ومضات زرقاء تنشأ في الجليد عندما تتحرك الميونات المشحونة بسرعة أكبر من سرعة الضوء في ذلك الوسط. خلال 10.7 سنوات من التحليل، تم اختيار نيوترينوات من بين 368071 مساراً، بطاقات تتراوح بين 500 غيغا إلكترون فولت و100 تيرا إلكترون فولت. الخدعة الأساسية تكمن في اعتماد المقطع العرضي على الطاقة: فهو يزداد بشكل أسي وفقاً لصيغة من النموذج القياسي. لذلك، فإن النيوترينوات ذات الطاقات المختلفة 'ترى' أعماقاً مختلفة - مما يؤدي إلى نوع من المطيافية لطبقات الأرض. قام الباحثون بتمثيل الأرض بمجموعة من الأغلفة متحدة المركز ذات كثافة ثابتة، وباستخدام التحليل البايزي أعادوا بناء المقطع الكثافي الشعاعي.
نتيجة العمل ليست مجرد منحنى، بل صورة للكوكب مرسومة بالتفاعل الضعيف. تطابق المقطع مع النموذج الزلزالي المرجعي PREM بدقة تصل إلى عشرات في المئة. ومن خلاله حُسبت لأول مرة كتلة الأرض (7.25×10^24 كغم) وعزم القصور الذاتي القطبي (1.05×10^38 كغم·م²) بشكل منفصل - وكلا القيمتين وقعتا ضمن نطاق الثقة مع القياسات الكلاسيكية. هذا يعني أن المقطع العرضي للنيوترينو مع النوكليونات، الذي تم التحقق منه في المسرعات، يتوافق مع المقاييس الكوكبية - لقد عزفت الفيزياء الأساسية والجيولوجيا معاً.
عند طاقة 1 تيرا إلكترون فولت، 'يشعر' النيوترينو بنسبة قليلة فقط من كتلة الأرض في طريقه، بينما عند 100 تيرا إلكترون فولت يشعر بمعظم سمكها. كما لو أن الكوكب يصبح تدريجياً معتماً أمام الجسيمات الشبحية.
التصوير المقطعي بالنيوترينو ليس مجرد اختبار أنيق للنماذج الجيوفيزيائية. إنه يفتح الطريق لدراسة الكواكب دون الاعتماد على مقاييس الزلازل وأجهزة قياس الجاذبية المدارية. في المستقبل، عندما تزداد إحصائيات IceCube-Gen2 ومرصد KM3NeT في البحر الأبيض المتوسط، سيكون بإمكاننا النظر في قلب المريخ للتحقيق في سبب توقف ديناموه المغناطيسي عن العمل، أو استكشاف نوى الكواكب الغازية العملاقة. وفي هذه الأثناء، تتطلب الطريقة معرفة دقيقة متزايدة بتدفقات النيوترينوات الكونية من المستعرات العظمى والنجوم النيوترونية والنباضات، بالإضافة إلى تحسين فهم التأثيرات النووية في المقاطع العرضية - البيانات من القارة القطبية الجنوبية تستمر في التدفق، وكل عام يجلب معه شفافية جديدة.
🎯 لرصد نيوترينو واحد، لحُتجنا إلى جدار من الرصاص بسمك سنة ضوئية؛ ومع ذلك، تستطيع الأرض توهين تدفق النيوترينوات بطاقة 100 تيرا إلكترون فولت إلى النصف تقريباً إذا مرت عبر النواة.
