زمین تحت بمباران مداوم از اشعه های کیهانیبارانی از ذرات پرانرژی که سیاره ما را از همه جهت با سرعت نزدیک به نور منفجر می کند.
در حالی که ممکن است این پیشروی یک تهاجم علمی تخیلی بیگانگان به نظر برسد، اما یک پدیده واقعی است که دانشمندان بیش از یک قرن از آن آگاه بوده اند. علیرغم توصیف چشمگیر آنها، پرتوهای کیهانی در واقع بسیار رایج هستند – آنها به طور منظم از سیاره ما عبور می کنند به طوری که در طول یک خواب متوسط شبانه، حدود یک میلیون پرتو کیهانی از بدن فرد عبور می کند. دانشگاه بیرمنگام در انگلستان
پرتوهای کیهانی علیرغم فراگیر بودنشان، هنوز اسرار علمی را مطرح می کنند. در حالی که پرتوهای کیهانی کم انرژی که برخورد می کنند زمین شناخته شده به منشاء از آفتابدیگران با انرژی های بالاتر به داخل جریان می یابند منظومه شمسی از عمق فضا. منشا این پرتوهای کیهانی فراخورشیدی کمتر شناخته شده است، از جمله منابع مشکوک سیاه چاله ها و در ابرنواختر انفجارهایی که مرگ ستارگان عظیم را نشان می دهند.
متصل: اسرار فضایی: چرا قمرهای گازی وجود ندارند؟
جولیا تیوس، استاد فیزیک ستاره شناسی در دانشگاه روهر آلمان، از طریق ایمیل به Space.com گفت. انرژی این ذرات ریز بسیار فراتر از آنچه ما در اینجا روی زمین می توانیم به دست آوریم، می رسد. ما در تلاشیم تا پازلی را حل کنیم که بیش از 100 سال قدمت دارد و قطعات را به آرامی اما پیوسته کنار هم قرار دهیم.”
پرتوهای کیهانی چیست؟
پرتوهای کیهانی جریان هایی از ذرات پرانرژی هستند که با هم برخورد می کنند اتمسفر زمین با سرعت نزدیک به نور آنها در سال 1900 کشف شدند و اصطلاح “پرتوهای کیهانی” توسط فیزیکدان رابرت میلیکان در سال 1925 ابداع شد..
از آن زمان، دانشمندان دریافته اند که تریلیون ها پرتوهای کیهانی هر روز به زمین برخورد می کنند، اما بیشتر آنها توسط سیاره مسدود می شوند. مگنتوسفر و جو
به گفته دانشگاه شیکاگو، بیش از 90 درصد پرتوهای کیهانی را هسته های هیدروژن (تک پروتون)، 9 درصد هسته های اتمی هلیوم و 1 درصد را هسته های عناصر سنگین تا آهن تشکیل می دهند. آنها را “ذرات هادرونیک” می نامند زیرا از هادرون تشکیل شده اند پروتون ها و نوترون هاکه از ذرات بنیادی تشکیل شده اند که به اصطلاح کوارک ها.
“همچنین وجود دارد الکترون ها و پوزیترون ها [the antiparticles of electrons] در پرتوهای کیهانی به ما می رسد، اما در مقادیر کمتر از ذرات هادرونیک. اینها اغلب الکترون های پرتوی کیهانی نامیده می شوند.» Tyus گفت: «گاهی اوقات مردم شامل ذرات خنثی با انرژی بالا – فوتون ها و نوترینو – در اصطلاح پرتوهای کیهانی، اما در بیشتر تعاریف آنها جدا از هم نگه داشته می شوند.”
چگونه پرتوهای کیهانی تا این حد پرانرژی می شوند؟
نکته اصلی رمز و راز پرتوهای کیهانی این است که چگونه این ذرات می توانند به چنین انرژی های باورنکردنی برسند که باعث می شود آنها تقریباً شتاب بگیرند. سرعت نور.
“ما به خوبی انرژی پرتوهای کیهانی را می دانیم –جهان به نوعی ذرات را تا 102⁰ (1 به دنبال آن 20 صفر) الکترون ولت (eV) شتاب می دهد. برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن، فقط می‌تواند ذرات را تا 10¹3 eV شتاب دهد، مرتبه‌های قدر کمتر از آنچه جهان می‌تواند به دست آورد. مکانیسم چگونگی شتاب دادن ذرات به این انرژی های شدید شناخته نشده است.”
یک فرضیه این است که ذرات را می‌توان با یک جبهه شوک به سمت چنین انرژی‌هایی شتاب داد، که زمانی ایجاد می‌شود که موادی که با سرعت فوق‌العاده‌ای بالا حرکت می‌کنند به یک محیط کندتر برخورد می‌کنند و باعث تغییر ناگهانی در محیط دوم می‌شوند. این یک میدان مغناطیسی متلاطم ایجاد می کند که می تواند به عنوان یک شتاب دهنده ذرات کیهانی طبیعی و قدرتمند عمل کند.
یکی از راه های ممکن برای ایجاد چنین شرایطی، یک ابرنواختر است، انفجاری که هنگام مرگ یک ستاره عظیم رخ می دهد. این انفجار لایه‌های بیرونی ستاره را با سرعتی باورنکردنی به پرواز در می‌آورد تا این که این ماده ستاره‌ای در نهایت به آن برخورد کند. محیط بین ستاره ای – ابرهای گازی با حرکت آهسته بین ستاره ها – ایجاد یک باقیمانده ابرنواختر درخشان.
بقایای ابرنواختر کاندیدای معقولی برای پرتوهای کیهانی هستند که از درون می آیند راه شیری. شواهدی وجود دارد مبنی بر اینکه بقایای ابرنواخترها می توانند ذرات را تا حدود انرژی GeV شتاب دهند [around 10⁹ to 10¹² eV]تیوس گفت. در بالاترین انرژی ها، در حدود 102⁰ eV، می دانیم که این ذرات باید از کهکشان های دیگر آمده باشند.
او گفت که یکی از منابع قابل قبول این پرتوهای کیهانی با انرژی بالاتر، هسته‌های فعال کهکشانی (AGN) هستند، مراکز کهکشان‌های فعالی که از آن تغذیه می‌کنند. سیاهچاله های کلان پرجرم میلیون ها یا میلیاردها بار توسط توده ها جرم خورشید.
سیاهچاله های پرجرم AGN توسط ماده ای احاطه شده اند که به تدریج از آن تغذیه می کنند، و همچنین با تأثیر گرانشی عظیم خود می لرزند و باعث می شوند که درخشان تر از نور ترکیبی هر ستاره در مجاورت باشند. کهکشان. ماده موجود در این مناطق که به سیاهچاله مرکزی پرجرم تغذیه نمی شود، می تواند به قطب های سیاهچاله هدایت شود، جایی که به صورت فواره های ماده با سرعت نزدیک به نور به بیرون پرتاب می شود. هنگامی که این جت ها با مواد بین ستاره ای اطراف برخورد می کنند، این برخورد می تواند پرتوهای کیهانی را نیز ایجاد کند.
یکی دیگر از منابع احتمالی پرتوهای کیهانی می‌تواند کهکشان‌های به‌اصطلاح انفجار ستاره‌ای باشند – یعنی آنهایی که در معرض سرعت بسیار بالایی از شکل‌گیری ستاره قرار می‌گیرند. اشعه گاماتیوس گفت.
اما اگر پرتوهای کیهانی از برخی از خشن ترین و قابل توجه ترین رویدادهای جهان می آیند، چرا ستاره شناسان برای ردیابی این ذرات باردار در این منابع تلاش می کنند؟
دستگاه پین بال فضایی
یکی از دلایلی که یافتن منابع پرتوهای کیهانی دشوار است این است که آنها از ذرات باردار تشکیل شده اند که تحت تأثیر میدان های مغناطیسی قرار می گیرند. وقتی این ذرات در سفرهای طولانی خود در فضا برای رسیدن به ما با میدان های مغناطیسی مواجه می شوند، منحرف می شوند.
بنابراین تا زمانی که پرتوهای کیهانی فراکهکشانی پس از میلیون ها یا میلیاردها به زمین می رسند سال نوریآن‌ها بارها منحرف شده‌اند و تغییر مسیر داده‌اند و مانند توپی در یک ماشین پین‌بال آسمانی در فضا می‌چرخند. این امر بازسازی مسیر اصلی آنها را تقریبا غیرممکن می کند، اما ممکن است یک راه غیر مستقیم برای انجام آن وجود داشته باشد.
توس توضیح داد: “هنگامی که پرتوهای کیهانی با گاز تعامل می کنند، این برهمکنش ها منجر به تولید فوتون و نوترینو می شود. این ذرات خنثی هستند که مستقیم حرکت می کنند و بنابراین می توانند به طور غیر مستقیم منشاء پرتوهای کیهانی را آشکار کنند.”
پرتوهای کیهانی در حال حاضر در طیف وسیعی از انرژی‌ها، از 10⁹eV تا 102⁰eV مورد مطالعه قرار می‌گیرند، و دانشمندان همه چیز را از ترکیب پرتوهای کیهانی تا جهت‌های ترجیحی آنها در آسمان بررسی می‌کنند. Tjus معتقد است که با ترکیبی از مدل‌سازی سه‌بعدی و اندازه‌گیری‌های دقیق نوترینوها و فوتون‌های مرتبط با پرتوهای کیهانی، می‌توان در درک اینکه پرتوهای کیهانی از کجا می‌آیند و چگونه با چنین انرژی‌های باورنکردنی پرتاب می‌شوند، پیشرفت کرد.
تیوس گفت: «معمای پرتوهای کیهانی تنها با جمع‌آوری اطلاعات مختلف از پیام‌رسان‌های مختلف قابل مشاهده است. “تا به امروز، طیف گسترده ای از رصدخانه ها وجود دارد که اطلاعات متفاوتی را ارائه می دهند.”
