مشاهده پرانرژی‌ترین الکترون‌ و پوزیترون‌های کیهانی!

محیط‌های شدید در جهان

جهان مملو از محیط‌های شدید است که از سردترین دماها تا بالاترین منابع انرژی ممکن را شامل می‌شود. به همین دلیل، اشیاء افراطی مانند بقایای ابرنواخترها، پالسارها و هسته‌های فعال کهکشان‌ها قادر به ساطع کردن ذرات باردار و پرتوهای گاما با انرژی‌های فوق‌العاده بالا هستند. این انرژی‌ها به قدری زیاد است که چندین مرتبه از انرژی تولید شده توسط همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها بیشتر است. پرتوهای گامایی که در زمین شناسایی می‌شوند، اطلاعات زیادی درباره این منابع به ما می‌دهند، زیرا این پرتوها بدون اختلال از فضا عبور می‌کنند.

اما در مورد ذرات باردار که به آنها پرتوهای کیهانی نیز گفته می‌شود، وضعیت پیچیده‌تر است. این ذرات به طور مداوم تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی موجود در سراسر جهان قرار دارند و به صورت ایزوتروپیک، یعنی از تمام جهات، به زمین برخورد می‌کنند. علاوه بر این، این ذرات باردار در طول مسیر خود مقداری از انرژی خود را هنگام تعامل با نور و میدان‌های مغناطیسی از دست می‌دهند. این کاهش انرژی به ویژه برای الکترون‌ها و پوزیترون‌های با انرژی بالا، که به عنوان الکترون‌های پرتو کیهانی (CRe) شناخته می‌شوند و انرژی آنها از یک تراهرتز (TeV) بیشتر است، قابل توجه است. بنابراین، تعیین نقطه‌ی منبع این ذرات باردار در فضا غیرممکن است، هرچند شناسایی آنها در زمین نشان‌دهنده وجود شتاب‌دهنده‌های قوی ذرات پرتو کیهانی در اطراف ماست.

با این حال، شناسایی الکترون‌ها و پوزیترون‌ها با انرژی‌های چند تراهرتز به ویژه چالش‌برانگیز است. ابزارهای فضایی که دارای نواحی شناسایی حدود یک متر مربع هستند، قادر به ثبت تعداد کافی از این ذرات نیستند، زیرا با افزایش انرژی، این ذرات به طور فزاینده‌ای نادر می‌شوند. از سوی دیگر، ابزارهای زمینی که به طور غیرمستقیم ورود پرتوهای کیهانی را از طریق بارش‌های ذراتی که در جو زمین تولید می‌کنند، شناسایی می‌کنند، با چالش تفکیک بارش‌های ناشی از الکترون‌های پرتو کیهانی (یا پوزیترون‌ها) از بارش‌های بسیار رایج‌تری که ناشی از برخورد پروتون‌ها و هسته‌های سنگین‌تر پرتو کیهانی هستند، مواجه‌اند.

رصدخانه H.E.S.S. که در نامیبیا واقع شده است، از پنج تلسکوپ بزرگ برای ثبت و ضبط تابش‌های ضعیف چرنکوف تولید شده توسط ذرات باردار و فوتون‌هایی که به جو زمین وارد می‌شوند، استفاده می‌کند و در پی خود بارش ذراتی را ایجاد می‌کند. اگرچه هدف اصلی رصدخانه شناسایی و انتخاب پرتوهای گاما به منظور بررسی منابع آنهاست، اما داده‌های به‌دست‌آمده می‌تواند برای جستجوی الکترون‌های پرتو کیهانی نیز مورد استفاده قرار گیرد. در جامع‌ترین تحلیلی که تاکنون انجام شده، دانشمندان همکاری H.E.S.S. اکنون اطلاعات جدیدی درباره منبع این ذرات به دست آورده‌اند.

تحقیقات جدید در زمینه الکترون‌های پرانرژی کیهانی

محققان نجوم با بررسی مجموعه داده‌های عظیم جمع‌آوری‌شده در طول یک دهه توسط چهار تلسکوپ ۱۲ متری، توانستند از الگوریتم‌های انتخابی جدید و قدرتمندتری استفاده کنند که قادر به استخراج الکترون‌های پرانرژی کیهانی (CRe) از نویز پس‌زمینه با کارایی بی‌سابقه‌ای بودند. این کار منجر به ایجاد مجموعه‌ای بی‌نظیر از داده‌های آماری برای تحلیل الکترون‌های پرانرژی کیهانی شد. به‌طور خاص، محققان H.E.S.S. برای اولین بار موفق به کسب داده‌هایی درباره CRe در بالاترین دامنه‌های انرژی، تا ۴۰ تِه‌و (TeV) شدند. این امر به آن‌ها این امکان را داد که یک شکست غیرمنتظره و تیز در توزیع انرژی الکترون‌های پرانرژی کیهانی شناسایی کنند.

کاترین اگبرتس، از دانشگاه پوتسدام و یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد: «این یک نتیجه مهم است، زیرا می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم که CRe اندازه‌گیری‌شده احتمالاً از تعداد بسیار کمی منبع در نزدیکی سیستم خورشیدی ما، تا حداکثر چند هزار سال نوری فاصله دارند که فاصله بسیار کمی در مقایسه با اندازه کهکشان ما است.» پروفسور هوفمان از مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک هسته‌ای، که همکار این مطالعه است، اضافه می‌کند: «ما برای اولین بار با تحلیل دقیق خود، محدودیت‌های شدیدی بر روی منبع این الکترون‌های کیهانی قرار دادیم.»

متیو دو نروآ، محقق CNRS از آزمایشگاه لوپرینس-رینگت، می‌گوید: «جریان‌های بسیار کم در دامنه‌های بالاتر تِه‌و، امکان رقابت مأموریت‌های فضایی با این اندازه‌گیری را محدود می‌کند. بنابراین، اندازه‌گیری ما نه تنها داده‌هایی در یک دامنه انرژی حیاتی و قبلاً ناشناخته ارائه می‌دهد که بر درک ما از همسایگی محلی تأثیر می‌گذارد، بلکه احتمالاً به عنوان یک معیار در سال‌های آینده باقی خواهد ماند.»

چگونه الکترون‌های پرانرژی کیهانی شناسایی می‌شوند؟

یادداشت‌ها: ۱ تِه‌و = ۱۰¹² الکترون‌ولت. اشعه‌های گامای پرانرژی تنها به‌خاطر یک پدیده بسیار خاص از زمین قابل مشاهده‌اند. زمانی که یک اشعه گاما وارد جو می‌شود، با اتم‌ها و مولکول‌های آن برخورد می‌کند و ذرات جدیدی تولید می‌کند که به سمت زمین می‌ریزند، درست مانند یک بهمن. این ذرات جرقه‌هایی تولید می‌کنند که فقط یک میلیاردیم ثانیه طول می‌کشند (تابش چرنکوف)، که می‌توان آن‌ها را با استفاده از تلسکوپ‌های بزرگ و به‌طور خاص تجهیزشده مشاهده کرد.

رصدخانه H.E.S.S. که در ارتفاع ۱۸۳۵ متری در ناحیه کوهستانی خوماس در نامیبیا واقع شده، به‌طور رسمی در سال ۲۰۰۲ آغاز به کار کرد. این رصدخانه شامل مجموعه‌ای از پنج تلسکوپ است. چهار تلسکوپ با آینه‌های ۱۲ متری در گوشه‌های یک مربع قرار دارند و یک تلسکوپ ۲۸ متری در مرکز آن واقع شده است. این ساختار امکان شناسایی اشعه‌های گامای کیهانی را از چند ده گیگا الکترون‌ولت (GeV، ۱۰⁹ الکترون‌ولت) تا چند ده تِه‌و (TeV، ۱۰¹² الکترون‌ولت) فراهم می‌کند. به‌عنوان مقایسه، فوتون‌های نور مرئی دارای انرژی دو تا سه الکترون‌ولت هستند. H.E.S.S. در حال حاضر تنها ابزاری است که آسمان جنوبی را در نور اشعه گامای پرانرژی مشاهده می‌کند و همچنین بزرگ‌ترین و حساس‌ترین سیستم تلسکوپ از نوع خود است.