انفجار انرژی در فضا: کشف منبع ذرات مرموز کهکشان!

دنیایی از محیط‌های بی‌رحم

جهان هستی پر است از مکان‌های خشن، جایی که از سردترین سرماها تا شدیدترین انرژی‌ها پیدا می‌شود. به این خاطر هم هست که اجرام خاصی مثل بقایای ابرنواخترها، پالسارها و هسته‌های فعال کهکشانی می‌توانند ذرات شارژدار و پرتوهای گاما با انرژی‌های فوق‌العاده بالا تولید کنند. این انرژی‌ها اون‌قدر زیاد هستند که چندین برابر انرژی‌ای است که همجوشی هسته‌ای درون ستاره‌ها آزاد می‌کند. پرتوهای گامایی که روی زمین ردیابی می‌کنیم، کلی اطلاعات راجع به این اجرام به ما می‌دهند، چون این پرتوها بدون این‌که دست‌خوش تغییری بشن از فضا رد می‌شوند.

ولی داستان برای ذرات شارژدار، که بهشون پرتوهای کیهانی هم گفته می‌شود، یه کم پیچیده‌تره. این ذرات مدام زیر تأثیر میدان‌های مغناطیسی که توی کل جهان پراکنده‌اند، هستند و به طور کلی از همه جهت‌ها به زمین می‌رسند. علاوه بر این، این ذرات شارژدار در طول مسیرشون مقداری از انرژی‌شون رو موقع تعامل با نور و میدان‌های مغناطیسی از دست می‌دهند. این کاهش انرژی مخصوصاً برای الکترون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی، که بهشون الکترون‌های پرتو کیهانی (CRe) می‌گن و انرژی‌شون از یه تراهرتز (TeV) بیشتره، قابل توجهه. پس، نمی‌شه دقیقاً فهمید این ذرات از کجا میان، ولی پیدا کردنشون روی زمین نشون می‌ده که شتاب‌دهنده‌های قدرتمندی از ذرات پرتو کیهانی دور و بر ما وجود دارد.

با این حال، پیدا کردن الکترون‌ها و پوزیترون‌ها با انرژی‌های چند تراهرتز یه چالش جدیه. ابزارهای فضایی که مساحت شناسایی‌شون تقریباً یه متر مربع است، نمی‌تونن تعداد کافی از این ذرات رو ثبت کنند، چون با زیاد شدن انرژی، این ذرات کمتر دیده می‌شن. از طرفی، ابزارهای زمینی که به‌طوری غیرمستقیم ورود پرتوهای کیهانی رو از طریق بارش ذراتی که توی جو زمین درست می‌کنند، ردیابی می‌کنن، با مشکل تفکیک بارش‌هایی مواجه‌اند که از الکترون‌های پرتو کیهانی (یا پوزیترون‌ها) ناشی شده‌اند از بارش‌های خیلی رایج‌تری که به خاطر برخورد پروتون‌ها و هسته‌های سنگین‌تر پرتو کیهانیه.

رصدخانه H.E.S.S. که توی نامیبیا واقع شده، از پنج تلسکوپ بزرگ استفاده می‌کنه تا تابش کم‌رمق چرنکوف که توسط ذرات شارژدار و فوتون‌هایی که وارد جو زمین می‌شن تولید می‌شه رو ثبت و ضبط کنه، و در پی خودش بارش ذراتی رو ایجاد می‌کنه. هدف اصلی رصدخونه اینه که پرتوهای گاما رو شناسایی و انتخاب کنه تا منبع‌شون رو بررسی کنه، ولی اطلاعاتی هم که به دست میاد می‌تونه برای جستجوی الکترون‌های پرتو کیهانی هم به کار بره. دانشمندان همکاری H.E.S.S. با توی بررسی جامعی که تا حالا انجام داده‌اند، اطلاعات جدیدی در مورد منشأ این ذرات به دست آورده‌اند.

تحقیقات جدید در مورد الکترون‌های پرانرژی کیهانی

محققان نجوم با بررسی داده‌های عظیمی که توی یه دهه جمع‌آوری شده از چهار تلسکوپ ۱۲ متری استفاده کردن تا الگوهای جدید و قوی‌تری رو برای انتخاب، به کار بگیرن که می‌تونست الکترون‌های پرانرژی کیهانی (CRe) رو با دقت بی‌نظیری از نویز پس‌زمینه جدا کنه. این کار باعث به‌وجود اومدن مجموعه‌ای بی‌نظیر از داده‌های آماری برای تحلیل الکترون‌های پرانرژی کیهانی شد. به‌خصوص، محققان H.E.S.S. برای اولین بار تونستند اطلاعاتی در مورد CRe در بالاترین محدوده‌های انرژی، تا ۴۰ تِه‌و (TeV) به‌دست بیارند. این موضوع بهشون اجازه داد که یه شکست غیرمنتظره و تند توی پراکندگی انرژی الکترون‌های پرانرژی کیهانی تشخیص بدن.

کاترین اگبرتس، از دانشگاه پوتسدام و یکی از نویسندگان این مقاله، توضیح می‌ده: «این نتیجه خیلی مهمیه، چون می‌تونیم نتیجه بگیریم که CRe اندازه‌گیری‌شده احتمالاً از تعداد خیلی کمی منبع تو نزدیکی‌های منظومه شمسی ما، در فاصله‌ای حداکثر چند هزار سال نوری میان که در مقایسه با اندازه کهکشان ما اصلاً فاصله زیادی نیست.» پروفسور هوفمان از مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک هسته‌ای، که همکار این مطالعه است، اضافه می‌کنه: «ما برای اولین بار، با آنالیز دقیق‌مون، محدودیت‌های جدی‌ای روی منبع این الکترون‌های کیهانی گذاشتیم.»

متیو دو نروآ، محقق CNRS از آزمایشگاه لوپرینس-رینگت، می‌گه: «جریان‌های خیلی کم تو محدوده‌های بالاتر “تِه‌و”، امکان رقابت مأموریت‌های فضایی با این اندازه‌گیری رو کم می‌کنه. پس، اندازه‌گیری ما نه‌تنها داده‌هایی در یک محدوده انرژی حیاتی و قبلاً ناشناخته ارائه می‌ده که روی درک ما از همسایگی محلی اثر داره، بلکه احتمالاً به‌عنوان یه معیار برای سال‌های آینده هم باقی می‌مونه.»

الکترون‌های پرانرژی کیهانی چطور شناسایی می‌شن؟

توضیحات: ۱ تِه‌و = ۱۰¹² الکترون‌ولت. پرتوهای گامای پرانرژی فقط به خاطر یه اتفاق خیلی خاص از زمین دیده می‌شن. وقتی یه اشعه گاما وارد جو می‌شه، با اتم‌ها و مولکول‌هاش برخورد می‌کنه و ذرات جدیدی تولید می‌کنه که به سمت زمین می‌بارن، انگار یه بهمن اومده. این ذرات، جرقه‌هایی درست می‌کنن که فقط یه میلیاردم ثانیه دوام دارن (تابش چرنکوف)، و می‌شه با تلسکوپ‌های بزرگ و تجهیزات مخصوص اون‌ها رو دید.

رصدخانه H.E.S.S. که در ارتفاع ۱۸۳۵ متری در منطقه کوهستانی خوماس توی نامیبیا قرار داره، رسماً از سال ۲۰۰۲ شروع به کار کرده. این رصدخونه شامل مجموعه‌ای از پنج تلسکوپه. چهار تلسکوپ با آینه‌های ۱۲ متری توی گوشه‌های یه مربع قرار دارن و یه تلسکوپ ۲۸ متری هم وسطشونه. این ساختار امکان شناسایی اشعه‌های گامای کیهانی رو از چند ده گیگا الکترون‌ولت (GeV، ۱۰⁹ الکترون‌ولت) تا چند ده تِه‌و (TeV، ۱۰¹² الکترون‌ولت) فراهم می‌کنه. به‌ عنوان مقایسه، فوتون‌های نور مرئی انرژی‌شون دو تا سه الکترون‌ولته. H.E.S.S. در حال حاضر تنها ابزاری هست که آسمون جنوبی رو با نور اشعه گامای پرانرژی می‌بینه و هم‌چنین بزرگ‌ترین و حساس‌ترین سیستم تلسکوپی از نوع خودشه.