استطلاع حول المناخ المتطرف
أخبار العلوم تجمع أسئلة القراء حول كيفية التكيف مع تغير المناخ على كوكبنا.
ماذا تريد أن تعرف عن الحرارة الشديدة وكيف يمكن أن تؤدي إلى أحداث مناخية متطرفة؟
تعتبر كتل النيوترينوات أقل من مليون جزء من كتلة الجسيم التالي الأخف، وهو الإلكترون، لكن لا أحد يعرف بالضبط كم تزن. إنها النوع الوحيد المعروف من الجسيمات الأولية التي لا يُعرف عنها هذه الخاصية الأساسية، ويشتبه بعض الباحثين في أن هذه المعرفة المفقودة قد تكون بوابة لفهم جديد للفيزياء.
يقول عالم الكونيات الجزيئية ميغيل إسكوديرو من مختبر سيرن الأوروبي بالقرب من جنيف: “النيوترينوات هي واحدة من الجسيمات الرئيسية التي لا نفهمها كما نفهم غيرها، لكنها مع ذلك لها عواقب كونية عميقة”.
دور هذه الجسيمات الصغيرة في تشكيل الكون يعني أنها تجسر الفجوة بين العالم دون الذري، الذي يتم دراسته عادةً في مسرعات الجسيمات أو مختبرات الفيزياء، والعالم الكوني الذي يتم اكتشافه عبر النظر إلى السماء. لذا يستخدم العلماء كلًا من الملاحظات الفضائية والتجارب الأرضية في محاولة لحل هذا اللغز الضخم.
لكن إذا سألت عالم كونيات عن وزن النيوترينوات وسألت عالم فيزياء جزيئية نفس السؤال، فقد تحصل على إجابتين مختلفتين. تظهر طرق قياس الكتلة لدى المجموعتين علامات على وجود انفصال.
تشير بيانات كونية حديثة تم جمعها بواسطة أداة الطيف الضوئي للطاقة المظلمة (DESI) إلى كتل صغيرة بشكل غير متوقع تقترب بشكل كبير لتتناقض مع تلك الناتجة عن تجارب الفيزياء الجزيئية. في الواقع، تشير بعض التفسيرات لبيانات DESI إلى أن النيوترينوات ليس لها كتلة أو حتى كتلة سالبة، وهو مفهوم محظور عادةً في الفيزياء (SN: 11/21/14).
لقد جعلت هذه النتائج الغريبة علماء الفيزياء يفكرون ببعض الأفكار المثيرة — مثل إمكانية تغير كتل النيوترينوات عبر تاريخ الكون أو أن الكتل السالبة الظاهرة هي وهم ناتج عن الطاقة المظلمة، الظاهرة الغامضة التي تسبب توسع الكون بمعدل متزايد.
تقع DESI في مرصد كيت بيك الوطني بولاية أريزونا وتجمع خرائط تفصيلية للمجرات والأشياء الأخرى. وفي أبريل الماضي ، أثار علماء DESI ضجة عندما اقترحوا أن كثافة الطاقة المظلمة قد تتغير عبر تاريخ الكون (SN: 4/4/24). وقد طغى غموض النيوترينو على ذلك الحدث. ولكن منذ ذلك الحين أدرك العلماء أن بيانات DESI قد يكون لها تأثير كبير أيضًا على فهمنا للنيوترينات.
ومع ذلك ، يعتقد بعض العلماء أن عدم تطابق كتلة النيوترينو ليس مدمرًا للكون كما يبدو. بدلاً من ذلك ، قد يكون نتيجة تفاصيل غامضة حول كيفية تحليل البيانات الكونية.
لكن إذا استمر هذا التأثير ، فقد يشير إلى تحول ضخم. تقول عالمة الكونيات إليونورا دي فالنتينو من جامعة شيفيلد في إنجلترا: “أعتقد أن وصفنا للكون بسيط جدًا”. “الآن بعد حصولنا على قياسات قوية وحساسة جدًا … حان الوقت لتعقيد الأمر قليلاً.”
ارتباك هائل بشأن كتل النيوترينات
تنقسم النيوترات إلى ثلاثة أنواع — نيوترات الإلكترون ونيوتروانات الموون ونيوتروانات التاو. ولزيادة الأمور تعقيدًا ، فإن كل نوع ليس له كتلة محددة ولكنه يحمل مزيجًا كموميًّا لثلاثة كتل مختلفة.
اليوم ، يملأ الثلاثي الفضاء بمئات الملايين من النيوترات لكل متر مكعب ، مما يتجاوز عدد البروتونات بحوالي مليار مرة. وفي بداية الكون كانت تلك الجسيمات أكثر كثافة بكثير.
على الرغم من كونها خفيفة الوزن للغاية إلا أنه يوجد قوة كبيرة بسبب الأعداد الكبيرة منها؛ لقد كانت تلك الجسيمات تلقي بوزنها عبر الفضاء لعدة مليارات السنين وتترك أثرها الدائم على سماء الليل بوجودها؛ حيث كانت تتنقل بين المادة العادية المرئية التي تشكل النجوم وغيرها مما يسافر عبر الفضاء وكذلك المادة الداكنة وهي مصدر غير مفهوم جيداً للكتلة والتي تضخم المجرة حول الفضاء الخارجي.
كانت الأعداد المشتركة للنيوتروينات تكفي لتغيير الشبكة الكونية وأيضاً للتأثير على معدل توسع الكون؛ حيث تسمح هذان العاملان للعلماء بقياس كتل النيورتونات بالنظر إلى الفضاء؛ فكتل النيورتونات الأكبر ستؤدي لتوسع أسرع للكون وكون أقل تكتلاً مقارنةً بكتل النيورتونات الأصغر.
يقوم DESI برسم الهياكل الكونية لتحديد معدل التوسع هذا وذلك عبر تأثير يعرف باسم الاهتزاز الصوتي للباريونات والذي ينتج عنه موجات صوتية تركبت نماذج دائرية مبكرة جداً داخل الكون؛ ومن خلال تتبع تلك الأنماط عند نقاط مختلفة خلال تاريخ الكون يمكن للعلمين متابعة نموه تماماً مثل حلق الأشجار الكونية.
في هذه الأثناء، يكشف الخلفية الكونية الميكروويف، وهو الضوء الذي أُطلق بعد 380,000 سنة من الانفجار العظيم، عن تكتلات الكون. بينما يقطع الضوء من الخلفية الكونية الميكروويف الفضاء، تنحني مساره بفعل جيوب المادة في رحلته، تمامًا كما يحدث مع الضوء الذي يمر عبر عدسة. كمية هذا التحدب الجاذبي تخبر العلماء بمدى تكتل الكون.
يجمع قياس التكتل من الخلفية الكونية الميكروويف ومعدل التوسع من DESI – وهما شيئان يتأثر بهما النيوترينوات – مما يسمح للعلماء بتحديد كتلتها بدقة.
توفر بيانات DESI، بالاشتراك مع بيانات الخلفية الكونية الميكروويف من قمر وكالة الفضاء الأوروبية “بلانك”، سقفًا لكتلة النيوترينوات. على وجه الخصوص، فإن مجموع كتل النيوترينوات الثلاث هو أقل من حوالي 0.07 إلكترون فولت بمستوى ثقة يبلغ 95 بالمئة، وفقًا لما أفاد به الباحثون عبر الإنترنت في أبريل على arXiv.org. (الإلكترون فولت هو وحدة يستخدمها الفيزيائيون لتحديد الكتلة. كتلة الإلكترون تبلغ حوالي 511,000 إلكترون فولت.)
بالإضافة إلى سقف كتلة النيوترينوات، هناك أيضًا حد أدنى بناءً على تجارب فيزياء الجسيمات المخبرية. تقيس تلك التجارب ظاهرة تُعرف بتذبذبات النيوترينوات، والتي تنتج عن حقيقة أن كل نوع من أنواع النيوترينوات هو مزيج كمومي من كتل مختلفة. يعني هذا التنوع أن النيوترينوات يمكن أن تتغير من نوع إلى آخر أثناء سفرها (SN: 10/6/15). ما يبدأ كنيوترينو مووني قد يتم اكتشافه لاحقًا كنيوترينو إلكتروني.
يمكن لكاشفات النيوترينوات رصد هذا التحول الشكلي. نظرًا لأن التذبذبات تعتمد على العلاقة بين كتل النيوترينات المختلفة، لا يمكن لهذه التجارب قياس الكتل نفسها بشكل مباشر. لكنها تشير إلى أن مجموع كتل الثلاثة نيوتينات يجب أن يكون أكبر من حوالي 0.06 إلكترون فولت.
هذا يعني أن رفض DESI لكتل نيوتينات تزيد عن حوالي 0.07 إلكترون فولت قريب بشكل مزعج جدًا لاستبعاد نطاق كامل للكتل التي تسمح بها تجارب التذبذبات؛ السقف والحد الأدنى يكادان يتلامسان.
لا يزال هناك بعض المجال - ربما مساحة زحف – لكي تعيش كتل النيترات في انسجام مع كلٍٍّمن علم الكونيات وتجارب التذبذبات الأخرى؛ لكن نتيجة DESI مفاجئة لأسباب أخرى أيضًا؛ إذ إن القيمة التي تحددها DESI باعتبارها الأكثر احتمالاً لمجموع كتل النيترات هي صفر – أي لا توجد كتلة على الإطلاق.
علاوة على ذلك ، عندما تتم إضافة بيانات كونولوجيا إضافية إلى بيانات DESI وبلانك ، مثل قوائم النجوم المتفجرة التي تقيس أيضًا معدل توسع الكون ، ينخفض الحد الأعلى للكتلة أكثر إلى أقل من 0.05 إلكترون فولت. وقد أفاد دي فالنتينو وزملاؤه بذلك في تقريرهم بتاريخ 25 يوليو عبر arXiv.org . لقد تم القضاء فعلياً على مساحة الزحف هذه ، مما ترك كتل النيترات في حالة صعبة يصعب تفسيرها دون اقتراح أفكار جديدة حول الكون.
“إذا أخذت كل شيء كما هو واضح ، وهو تحذير كبير … فإننا بحاجة بوضوح إلى فيزياء جديدة”، يقول عالم الكونيات ساني فاجنوزي بجامعة ترنتو بإيطاليا ، أحد مؤلفي الورقة البحثية.
< p > إذا كان التسلسل المعكوس صحيحاً فإن تجارب الاهتزاز تشير إلى أنه يجب أن يكون مجموع كتلة النيترات أكثرمن0,1إلكترونات فولط . إن ضغطDESI لخفض كتلهالنيوتريونات لأقلمن0,07إلكترونات فولط لا يترك فقط التسلسل العادي بقليل جداً ولكن يبدو أيضاً أنه يستبعد أساسياً التسلسل المعكوس
< p > “لهذا السبب الجميع متحمسون للغاية”، تقول عالمة الكونيات ليشيا فردي بجامعة برشلونة وهي عضو ضمن فريق عملDESI
< p > إن استبعاد التسلسل المعكوس سيكون له تأثير كبير وسيتسبب بعواقب عديدة لنظريات وتجارب متعددة . يعتبر هذا التسلسل مهم جداً حتى قام العلماء بتصميم تجربة ضخمة — مرصد جيانجمن تحت الأرض للنيوتريونات بالصين والذي يُخطط لبدء العمل هذا العام — بهدف قياسه . لكن علماء الفيزياء الجسيمات لم يلغوا خططهم ولا أحد يحتفل بنهاية التسلسل المعكوس
< figure class = "wp-block-image size-large">
< p > السبب وراء ذلك هو أن سقف ماسDESIE تجاوز توقعاتهم .”كان الأمر جيداً للغاية”، يقول عالم الفلك دانيال غرين بجامعة كاليفورنيا سان دييغو
< P > بالنظر الى كمية البيانات التي جمعتهاDESIE كان ينبغي ان نتوقع حداً أعلى يزيد بمقدار الضعفين تقريباً حيث كانت ستحدد قيمة أقل بقليل عن(0,18)الكترونا فولطا مما يبقي إمكانية وجود تسلسلات عكسية حاضرة وبقوة كبيرة حيث لم يكن متوقعا ان تستطيعDESIE استبعاد تلك الاحتمالية حتى تأخذ عدة سنوات اخرى لجمع المزيد منها < /P >
< P > وهذا جعل الفيزيائييين يشكون بأن هنالك شيئ آخر يحدث هنا < /P >
هل يمكن ان تكون للنيوتريونات كثافة سالبة؟
If scientists take seriously the preference of the DEIS for zero neutrino mass there are a few ways to explain it despite the fact that neutrinos in the lab indisputably have mass Neutrinos could(decay into other particles or annihilate with one another), Green and colleagues suggest in a paper accepted in the Journal of High Energy Physics Or perhaps neutrinos’ masses vary across time
The possibility is even wilder than zero mass negative mass Green suspected all of this funny behavior was because the data was actually going the wrong way [The data] was seeing the ‘opposite’ of a neutrino Namely a neutrino with negative mass
The positive mass makes universe less clumpy while DEIS and Planck might be finding reverse universe that is clumpier than expected meaning it has larger-than-predicted variation in density matter from place to place That could be conceptualized by bizarro neutrino with negative mass
The analysis did not allow for negative masses Perhaps DEIS landed on zero only because it was forbidden from going lower
This led Green and colleagues to tweak analysis to permit negative masses The analysis homed in on –016 electron volts researchers reported
The others found similar support for negative neutron masses That’s kind of crazy”يقول عالم الكونيات ويليم إلبيرس من جامعة دورهام في إنجلترا: “إن الكتل السلبية في الفيزياء صعبة التعريف والإدماج في النظريات، مما يسبب جميع أنواع الصراعات في المعادلات. “نحن لا نعتقد فعليًا أن كتلة النيوترينو سلبية”، يقول إلبيرس. بدلاً من ذلك، “إنها عرض لوجود مشكلة ما إما في البيانات أو في الافتراضات التي نتخذها حول كيفية تطور الكون.”
يقترح إلبيرس وزملاؤه أن الكتلة السلبية قد تكون سرابًا للطاقة المظلمة. الصورة القياسية للكون تفترض أن الطاقة المظلمة لها كثافة ثابتة، وهو ما يعرف بالثابت الكوني. بينما تشير بيانات DESI إلى أن الطاقة المظلمة ديناميكية - أي أن كثافتها تتغير مع مرور الوقت – تم تحديد رقم كتلة النيوترينو لـ DESI بافتراض وجود ثابت كوني.
يسمح السماح بالطاقة المظلمة الديناميكية بحل مشكلة كتلة النيوترينو، كما أفاد إلبيرس وزملاؤه عبر الإنترنت بتاريخ 15 يوليو على arXiv.org. “إنه ينقل القيمة الأكثر احتمالاً من شيء سلبي وغير مادي إلى شيء يتوافق تمامًا مع الواقع”، يقول إلبيرس: 0.06 إلكترون فولت.
لكن ليست كل الطاقات المظلمة الديناميكية متشابهة. أبسط نماذج الطاقة المظلمة الديناميكية، مثل تلك المستخدمة من قبل DESI ومن قبل إلبيرس وزملائه، تسمح للطاقة المظلمة بأن تصبح “شبحية”، وهي حالة غير متوقعة نظريًا. وفقًا لنظرية العلماء المحبوبة، تبقى كثافة الطاقة المظلمة ثابتة أو تتخفف مع توسع الفضاء. ولكن مع الطاقة الظلامية الشبحية، تزداد الكثافة بدلاً من ذلك. تعتبر هذه النوعية من الطاقة الظلامية أقل مصداقية – فمن الصعب تفسيرها ضمن نظريات الفيزياء القياسية.
استخدام نموذج يمنع تغيرات الطاقة الظلامية من التحول إلى شبح جعل عدم تطابق كتلة النيوترينو أسوأ بالفعل، كما أفاد فاجنوزي ودي فالنتينو وزملاؤهم في ورقتهم.
هذا يترك العلماء بلا تفسير كوني مقنع لسبب كون كتل النيوترينوات أصغر مما هو متوقع.
مشاكل مع بيانات بلانك
بدلاً من إعادة التفكير في الكون، يقوم بعض العلماء بإعادة النظر في البيانات.
تشير بعض الأبحاث إلى وجود مشاكل دقيقة في بيانات الخلفية الإشعاعية الكونية قد تؤثر على النتائج بشكل غير صحيح. وبشكل خاص ، تُعرف بيانات بلانك بأنها تظهر فائضاً غير متوقع من العدسات الجاذبية ، وهو انحناء ضوء الخلفية الإشعاعية الكونية الذي يساعد العلماء على استنتاج كتل النيوترينوات.
المزيد من العدسات الجاذبية هو أيضًا ما كنت ستتوقعه بالنسبة للنيوترينوات ذات الكتل السلبية. وفي الواقع ، أدت المحاولات السابقة لتقدير كتل النيوترينوات باستخدام بيانات بلانك جنبًا إلى جنب مع سابقتها لـ DESI أيضًا إلى تقديرات صغيرة بشكل غير متوقع . ربما تكون مشكلة بلانك هي السبب وراء ذلك .
إصدار محدث لبيانات بلانك ، باستخدام طرق مختلفة لرسم خريطة للخلفيات الإشعاعيه الكونية ، يقلل هذا الفائض الزائد للعدسات الجاذبية .
تحليل يعتمد على تلك البيانات المحدّثة لبلانك وإزالة نقطتين شاذتين للبيانات الخاصة بـ DESI 1,35 إلكترون فولت بمستوى ثقة يبلغ90% حسبما أبلغ باحثوKATRIN عبر الإنترنت يونيو الماضي علي arXiv.org . وهذا حد أضعف بكثير مما تضعه علم الكون عليالكتلهذا لذا حتى لو كانت التجارب المباشرة تعتبر أكثرموثوقيه إلا أنها لا تخبرالعلماء بالكثيرمما لم يعرفوه مسبقاً . قد تساعد التجارب المباشرة المستقبل القريب علي التركيز أكثر علي كتلهنيترة لكن إذا كانت كُتَل نيترةكما يعتقد علماءالكوزمولوجيا صغيرة جداً فسوف يتطلب الأمر تقدم تقني كبير لتحقيق ذلك .
ومع ذلك فإن إمكانية فهم أفضل لبعض أكثرالجزيئات غموضافي الكون مثيرة للاهتمام للغاية .” أجد أنه مثيراً للاهتمام بشكل خاصأن النظر إلي السماء يمكنأن يخبرنا بشيء عن جزيء خفيف وصغير ودقيق ودون الذرّة “كما تقول فردى”.
وإذا تمكنالعلماءمن إيجاد توافق بينالنيوتروينات الموجودة علي الأرض وفي الفضاء فسوف يكون لديهم ثقة إضافيه بأن نظرهم حولالكون صحيح “إذا استطعت بناء صورة حيث كل شيء يتجمع سوياً بدمج كلا التجربتين اللتان تنظر إلي الأشياء الصغيرة جداً والتجارب التي تنظر إلي الكبيرة جداً فهذا أيضاً يدعم الصورة نفسها”.
