صيد الأشباح الكونية في أعماق الجليد؛ قصة الاكتشاف الذي أفضى إلى جائزة نوبل في الفيزياء 2026

الفكرة التي سعى «فرانسيس هالزن» (Francis Halzen) لسنوات إلى تحقيقها نالت أخيراً جائزة نوبل في الفيزياء في أكتوبر 2026.

الفكرة التي حاول "فرانسيس هالزن" (Francis Halzen) تنفيذها لسنوات، فازت أخيرًا بجائزة نوبل في الفيزياء في أكتوبر 2026.

كن عضوًا مميزًا في Arjan Ambassador للاستفادة من المرافق الخاصة والأقسام المختلفة في Arjan Ambassador والوصول إليها.

كيف فتح عالم فيزياء طريقة جديدة لاكتشاف أسرار الثقوب السوداء والظواهر الأكثر نشاطا في الكون من خلال تحويل كيلومتر مكعب من الجليد في القارة القطبية الجنوبية إلى تلسكوب عملاق؟

في 22 سبتمبر 2017، تم إرسال رسالة من أعماق جليد القطب الجنوبي إلى المراصد حول العالم. بدأت القصة من جسيم صغير؛ من المحتمل أن يكون هذا الجسيم قد سافر عبر الكون لمليارات السنين وترك في النهاية أثرًا في أعماق الجليد. وبعد 43 ثانية فقط من تسجيل هذا الحدث، بحث العلماء في أنحاء مختلفة من العالم عن مصدره. ولكن من أين أتى هذا الجسيم ولماذا كان من المهم العثور عليه؟ قادتهم الإجابة إلى أحد أغرب الأماكن وأكثرها نشاطًا في الكون. والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن اكتشاف هذا الجسيم لم يكن ممكنًا باستخدام تلسكوب عادي، بل مع آلاف أجهزة الاستشعار المدفونة في الجليد؛ الفكرة التي حاول "فرانسيس هالزن" (Francis Halzen) تنفيذها لسنوات وأخيرًا في أكتوبر 2026، جلبت له جائزة نوبل في الفيزياء.

إذا مررت بالقرب من مبنى مرصد آيس كيوب في القارة القطبية الجنوبية، فمن المحتمل أنك لن تلاحظ أي شيء. مبنى بسيط بالقرب من محطة أبحاث أموندسن-سكوت، في واحدة من أبرد الأماكن على وجه الأرض. وليس لها قبة كبيرة أو تلسكوب يشير إلى السماء. ومع ذلك، فإن هذا المبنى نفسه متصل بأحد المراصد الأكثر غرابة في العالم.

ولرؤية الجزء الرئيسي من هذا المرصد، علينا أن نذهب لمسافة حوالي كيلومتر ونصف تحت سطح الجليد. وهناك، على عمق 1450 إلى 2450 مترا، يتم وضع أكثر من خمسة آلاف جهاز استشعار بصري. لقد حول العلماء بالفعل كيلومترًا مكعبًا من جليد القطب الجنوبي إلى اكتشاف هائل. لكن لماذا يذهب الإنسان إلى الجليد تحت قدميه ليدرس العالم بدلاً من النظر إلى السماء؟

الجواب يتعلق بجسيمات تسمى النيوترينوات؛ جزيئات يمكنها المرور عبر الأرض وجسم الإنسان وكمية هائلة من المادة دون أن تترك أثراً. العثور على واحد منها ليس بالأمر السهل، لكن في بعض الأحيان يصطدم النيوترينو بالمادة ويخلق جسيمات أخرى تتحرك عبر الجليد، مما ينتج عنه ضوء خافت للغاية. تم تصميم أجهزة استشعار Icecube لالتقاط هذا الضوء.

في 22 سبتمبر 2017، الساعة 20:54:30 بالتوقيت العالمي، سجلت مستشعرات IceCube مثل هذا الحدث. ومن خلال فحص نمط الضوء، تمكنت أجهزة الكمبيوتر من إعادة بناء المسار المحتمل للجسيم. تم تسمية هذا الحدث لاحقًا باسم IceCube-170922A.

وتشير التقديرات إلى أن طاقة النيوترينو المسؤول عن هذا الحدث كانت حوالي 290 تيرا إلكترون فولت، وهي طاقة عالية للغاية من المحتمل أن تكون قد نشأت في مكان بعيد عن الأرض. ولكن بقي سؤال أساسي واحد: ما الذي يمكن أن ينتجه الكون من جسيم بهذه الطاقة الهائلة؟ والأهم من ذلك، هل يمكن العثور على مكان الميلاد من خلال تتبع مسار هذا الجسيم؟

لكي نفهم لماذا أخذ العلماء هذا الحدث على محمل الجد، علينا أن نعود بالزمن إلى الوراء؛ في الوقت الذي كان فيه وجود مثل هذه الجسيمات لا يزال مجرد فرضية.

الآن، وأنت تقرأ هذا النص، تمر مليارات الجزيئات عبر جسمك دون أن تشعر أو حتى تلاحظ وجودها. كيف يمكن لجسيم أن يمر عبر كل شيء تقريبًا، وفي الوقت نفسه يحمل معه معلومات قيمة عن أبعد أجزاء الكون؟ اسم هذا الجسيم هو النيوترينو؛ أحد أغرب الجسيمات الأساسية التي عرفها الفيزيائيون.

بدأت قصة اكتشاف النيوترينو من مشكلة لم يتم حلها. في عام 1930، أدرك الفيزيائي النمساوي فولفجانج باولي أنه لا بد من وجود جسيم غير معروف لتفسير الطاقة المفقودة ظاهريًا في نوع من التحلل النووي. جسيم لم يراه أحد ولم تتمكن أدوات ذلك الزمن من كشفه. بدا اقتراح باولي في البداية وكأنه حل لإنقاذ أحد القوانين الأساسية للفيزياء أكثر من اكتشاف جسيم جديد.

استغرق الأمر 26 عامًا حتى تمكن فريدريك رينز وكلايد كوان من إثبات وجود النيوترينوات تجريبيًا في عام 1956. لكن اكتشاف هذا الجسيم كان مجرد بداية القصة.

نحن نعلم اليوم أن النيوترينوات ليس لها شحنة كهربائية، وكتلتها صغيرة جدًا، ونادرا ما تتفاعل مع المادة. ولفهم مدى وفرتها، فكر فقط في الشمس. تنتج الشمس مليارات النيوترينوات خلال تفاعلاتها النووية. وعدد هذه الجسيمات مرتفع جدًا لدرجة أن حوالي 60 مليار نيوترينو يمر في كل ثانية عبر سطح مساحته سنتيمتر مربع واحد بالقرب من الأرض. ومن المثير للاهتمام أن هذه الجزيئات نفسها تمر عبر جسمنا دون توقف ودون أن تصطدم بذرات جسمنا.

لكن الشيء المثير للاهتمام بشأن النيوترينوات هو أن الشيء نفسه الذي يجعل العثور عليها صعبًا للغاية يجعلها رسلًا قيمين من أعماق الكون. لا يمكن للضوء أن يمر دائمًا عبر بيئات شديدة الكثافة، كما تنحرف الجسيمات المشحونة أيضًا في مسارها تحت تأثير المجالات المغناطيسية. لكن النيوترينوات يمكن أن تخرج من هذه البيئات وتسافر مليارات السنين الضوئية تقريبًا دون تغيير مسارها.

ولهذا السبب، فإن كل نيوترينو يصل إلى الأرض قد يحمل معه دليلًا على وقوع حدث في زاوية نائية من الكون؛ حدث لا تستطيع حتى أقوى التلسكوبات رؤيته مباشرة. ومع ذلك، واجه العلماء مشكلة غريبة. كيف يمكن العثور على مسار لجسيم يمكنه اجتياز الكرة الأرضية بأكملها دون الاصطدام بأي شيء؟

هذه الصعوبة جعلت العلماء يفكرون بطريقة مختلفة. لقد احتاجوا إلى عمليات اكتشاف كبيرة جدًا لزيادة فرصة التقاط تصادمات النيوترينو النادرة. وأخيرًا، تشكلت فكرة استخدام الكمية الهائلة من الجليد الطبيعي في القطب الجنوبي؛ حيث يمكن تركيب آلاف أجهزة الاستشعار في أعماق الجليد للعثور على آثار الجزيئات التي تمر عبر أي شيء تقريبًا دون أن تصطدم بأي شيء.

لم يكن من المفترض أن يقوم IceCube فقط باكتشاف النيوترينوات. كان العلماء يأملون في العثور على إجابة لأحد ألغاز علم الفلك القديمة بمساعدة هذا المرصد. الجسيمات التي تصل إلى الأرض بطاقة لا تصدق من أعماق الفضاء، أين وكيف تحقق هذه السرعة وهذه الطاقة الهائلة؟

تم الحصول على معظم معرفتنا بالعالم بمساعدة الضوء؛ من الضوء المرئي إلى موجات الراديو والأشعة السينية وأشعة جاما. ومن خلال استقبال هذه الإشعاعات، تمكنت التلسكوبات من تسجيل صور للمجرات البعيدة، والنجوم المنفجرة، والمناطق المحيطة بالثقوب السوداء. لكن هذه الملاحظات لم تتمكن بعد من الإجابة بشكل كامل على أحد أهم الأسئلة. أين هو مصدر الأشعة الكونية الأكثر نشاطا؟

على عكس اسمها، تتكون الأشعة الكونية في الغالب من جسيمات مثل البروتونات والنوى الذرية. ويصل بعضها إلى الأرض بطاقة تفوق بكثير قدرة أكبر المسرعات التي صنعها الإنسان. ويعرف العلماء أن هناك ظواهر في أقاصي الكون يمكنها تسريع الجسيمات إلى مثل هذه الطاقات، لكن تحديد هذه البيئات بدقة يظل صعبا.

ومن بين المواقع المشتبه بها بقايا النجوم المنفجرة والمناطق المحيطة بالثقوب السوداء الهائلة والانفجارات القوية للمادة من مركز المجرات. المشكلة هي أن الأشعة الكونية تغير اتجاهها عدة مرات في طريقها إلى الأرض، ونتيجة لذلك، عادة لا يمكن العثور على المكان الدقيق لإنتاجها.

هذا هو المكان الذي تصبح فيه النيوترينوات ذات أهمية خاصة. عندما تصطدم جسيمات نشطة للغاية بالقرب من هذه الأجسام بالمادة أو الإشعاع، يمكن أيضًا إنتاج النيوترينوات. ولذلك، فإن اكتشاف النيوترينو النشط يمكن أن يكون علامة على نشاط نفس المسرعات الطبيعية التي كان علماء الفلك يبحثون عنها منذ سنوات.

وبطبيعة الحال، فإن تسجيل النيوترينو وحده لا يكفي لتحديد أصله. يجب على العلماء مقارنة اتجاهه بملاحظات من التلسكوبات الأخرى ومعرفة ما إذا كانت هناك ظاهرة نشطة تحدث في نفس الجزء من السماء.

أعطى هذا الأمر أهمية خاصة لحدث 22 سبتمبر 2017. يمكن للنيوترينو الذي سجله IceCube أن يقود العلماء إلى أحد المسرعات الطبيعية للكون. والآن علينا أن نرى ما إذا كانت هناك علامة أخرى في المسار الذي جاء منه هذا الجسيم أم لا.

في الثمانينيات، عندما كان العلماء لا يزالون يبحثون عن طريقة لتحديد أصل الجسيمات الأكثر نشاطًا في الكون، أصبح هالزن مهتمًا بفكرة لا تبدو سهلة التنفيذ. لقد أراد استخدام الجليد الطبيعي في القارة القطبية الجنوبية لبناء مرصد لم يكن موجودًا من قبل بهذا الحجم.

وبطبيعة الحال، لم تكن فكرة استخدام البيئات الطبيعية للكشف عن النيوترينوات جديدة. وقبل ذلك، حاول العلماء في مشروع يسمى "DUMAND" استخدام مياه المحيط العميقة بالقرب من هاواي لهذا العمل. لكن العمل في أعماق المحيط واجه العديد من المشاكل وكان من الصعب تركيب المعدات وصيانتها في تلك البيئة.

فكر هالزن مع جون ليند، الفيزيائي الأمريكي، في إمكانية استخدام الجليد السميك في القطب الجنوبي. وعلى عكس مياه المحيط، كان الجليد المحيط مستقرًا، وبقيت أجهزة الاستشعار في مكانها بعد تركيبها وتجمدت المياه المحيطة بها من جديد. إذا كان الجليد الموجود في الطبقات العميقة شفافًا بدرجة كافية، فيمكن لأجهزة الاستشعار التقاط الضوء الخافت الصادر عن النيوترينوات التي تضرب المادة. في عام 1988، قدم هالزن وتعلم هذه الفكرة في اجتماع علمي واقترحا استخدام الجليد في القطب الجنوبي كوسيلة جديدة للكشف عن النيوترينوات.

ولكن كانت هناك مسافة طويلة بين طرح فكرة وإثباتها عمليا. لم يكن أحد يعرف بالضبط إلى أي مدى يسافر الضوء في الطبقات العميقة من الجليد. يمكن لفقاعات الهواء والشوائب الموجودة في الجليد أن تبعثر الضوء في اتجاهات مختلفة، مما يجعل من الصعب اكتشاف مسار الجسيم. ومن ناحية أخرى، كان تركيب المعدات يتطلب حفر آبار عميقة؛ وهذا أيضًا، في منطقة حيث البرد الشديد والظروف الجوية تجعل حتى أبسط الأنشطة الفنية مهمة معقدة.

تم إجراء الاختبارات الأولى في جرينلاند. وتمكن الباحثون من إثبات أن هذه الطريقة ممكنة من الناحية التقنية من خلال وضع أجهزة استشعار بصرية في الجليد. وكانت النتيجة واعدة، ولكن لبناء مرصد حقيقي، لا تزال هناك حاجة إلى دراسة ظروف الجليد في القطب الجنوبي.

وفي عام 1993، انطلق تنفيذ المشروع التجريبي "أماندا" في القارة القطبية الجنوبية، وهو المشروع الذي مهد فيما بعد لبناء مرصد مكعبات الثلج. وباستخدام الماء الساخن والضغط العالي، حفر الباحثون بئرًا في الجليد وقبل إعادة تجميد الماء، أرسلوا كابلات تحمل أجهزة استشعار بصرية إليه.

عشية عيد الميلاد من ذلك العام، كان هالزن في منزله في بلجيكا في انتظار أخبار من المجموعة المتمركزة في القارة القطبية الجنوبية. لقد ترك جهاز الكمبيوتر الخاص به بجانبه على مائدة العشاء وكان يفحص الرسائل الواردة بانتظام. وكان مصير سنوات من الجهد مرهوناً بنجاح عملية على بعد آلاف الكيلومترات لم يكن له أي سيطرة عليها. وأخيراً وصلت الرسالة المتوقعة. تم بنجاح تركيب أول كابل يحمل أجهزة استشعار بصرية في الجليد.

كان هذا الخبر بمثابة إنجاز كبير لفريق البحث، ولكن سرعان ما أصبح من الواضح أن تركيب المعدات لم يكن سوى جزء من المشكلة. أظهرت البيانات المبكرة أن الجليد الموجود على العمق الذي تم وضع أجهزة الاستشعار فيه لم يكن شفافًا كما كان متوقعًا. أدت فقاعات الهواء المحبوسة في الجليد إلى تشتيت الضوء وتقليل دقة الكاشف. يتعين على الباحثين الآن تحديد ما إذا كانت هناك ظروف أفضل في الطبقات العميقة أو ما إذا كانت الفكرة التي كانوا يحاولون تنفيذها لسنوات قد واجهت عقبة خطيرة.

تم العثور على إجابة سؤال الباحثين في الطبقات العميقة من الجليد. وقد أظهرت الدراسات أنه على عمق أكثر من 1400 متر، ومع تقليل فقاعات الهواء، يصبح الجليد أكثر شفافية ويمكن للضوء أن ينتقل لمسافات أكبر بكثير. وقد غيّر هذا الاكتشاف مسار المشروع. بحلول عام 2000، أثبتت أماندا قدرتها على اكتشاف النيوترينوات، لكن هالزن وزملائه كانوا يبحثون عن شيء أكبر بكثير، وهو مرصد يمكنه اكتشاف المزيد من النيوترينوات الكونية عالية الطاقة.

بدأ بناء مرصد آيس كيوب في أواخر عام 2004، وكانت إحدى أصعب المراحل هي الحفر في جليد القطب الجنوبي. ولهذا الغرض، استخدم المهندسون نظامًا بقوة حرارية تبلغ حوالي خمسة ميغاوات، مما أدى إلى إنشاء آبار يبلغ قطرها حوالي 60 سم وعمقها حوالي 2500 متر بالمياه الساخنة ذات الضغط العالي. استغرق حفر كل بئر حوالي يومين، وكان على الطاقم إدخال الكابل الذي يحمل أجهزة الاستشعار قبل أن تتجمد المياه مرة أخرى.

تُستخدم معدات حفر الماء الساخن Icecube في القارة القطبية الجنوبية لإنشاء آبار عميقة وتركيب أجهزة استشعار بصرية في الجليد.

استمرت العملية خلال عدة فصول صيف في القطب الجنوبي حتى انتهت أخيرًا في ديسمبر 2010. وفي المجمل، تم تركيب 5160 جهاز استشعار بصري على 86 جديلة كابل عمودية. تم وضع كل مستشعر في غلاف زجاجي متين ويمكنه تسجيل الضوء الضعيف للغاية ونقل معلوماته عبر الكابلات إلى أجهزة الكمبيوتر الموجودة على الأرض.

في عام 2011، تم تشغيل Ice Cube بكامل طاقته. فالمشروع الذي بدأ بتجارب غير مؤكدة تحول الآن إلى مرصد دولي، حيث أن معظم معداته مغمورة في أعماق الجليد ويكاد يكون من المستحيل الوصول إليها مباشرة.

لكن بناء مثل هذا المرصد الكبير لم يكن سوى جزء من النجاح. لا يزال يتعين على هالزن وزملائه إثبات أن الأداة قادرة على القيام بما كانوا يحاولون القيام به لسنوات؛ الكشف عن النيوترينوات التي تصل إلى الأرض من أحداث عالية الطاقة خارج النظام الشمسي.

لا يقتصر اكتشاف النيوترينوات على تسجيل الضوء في الجليد. وعلى العلماء أن يحددوا من هذه الإشارات الضعيفة مقدار الطاقة التي يمتلكها الجسيم ومن أي اتجاه وصل إلى الأرض. ولهذا يستخدم آيس كيوب ظاهرة فيزيائية تسمى إشعاع شيرينكوف.

ويتكون هذا الإشعاع عندما يتحرك جسيم مشحون بسرعة أكبر من سرعة الضوء في وسط مثل الجليد. وبالطبع، هذا لا يعني كسر الحد الأقصى لسرعة الضوء في الفراغ، لأن الضوء ينتقل بشكل أبطأ عند مروره عبر الجليد. في مثل هذه الحالة، ينتج الجسيم إشعاعًا، يقع جزء كبير منه في نطاق الضوء الأزرق.