چهاردهمین کنفرانس نجوم و اختر فیزیک ایران
14th National Conference on Astronomy and Astrophysics of Iran

پرتوهای کیهانی پر انرژی: به دنبال حل معمایی به قدمت یک قرن


ارسال شده در تاریخ :
پرتوهای کیهانی پر انرژی: به دنبال حل معمایی به قدمت یک قرن

پرتوهای کیهانی به طور پیوسته جو زمین را مورد هدف قرار می دهند. مطالعه این ذرات پرانرژی می تواند به درک هر چه بهتر پرانرژی ترین رخدادهای عالم منجر شود. علیرغم تمام تلاش های صورت گرفته در قرن اخیر، همچنان سوالات زیادی در خصوص این پدیده بدون پاسخ مانده است.


 

انفجارهای کیهانی مانند آنچه سحابی خرچنگ را پدید آورد می تواند یک منبع بالقوه برای انتشار پرتوهای کیهانی باشد. ذراتی باردار که طور پیوسته جو زمین را مورد هدف قرار میدهند. تصویر از : (NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University


"زمین به طور پیوسته از سمت فضا توسط پرتوهای کیهانی با منابع ناشناس بمباران می شود"
شاید فکر کنید این جمله در یک رمان علمی نوشته شده است ما در واقع یک حقیقت علمی است.

پرتوهای کیهانی اسرار آمیز که با سرعتی نزدیک به سرعت نور اتمسفر زمین را بمباران می کنند، برخوردهایی پرانرژی را به وجود می آورند. اگر قصد مقایسه داشته باشیم، انرژی ایجاد شده در پر انرژی ترین برخورد دهنده های زمینی ساخت بشر در مقایسه با این پدیده ناچیز خواهد بود.
در نتیحه برخورد این ذرات با جو زمین، بهمن هایی از ذرات ثانویه به سمت سطح سیاره ما روانه می شوند. با این وجود، علیرغم آنکه از کشف این ذرات بیش از یک قرن می گذرد، دانشمندان همچنان اطلاع دقیقی از منبع این پرتوهای پرانرژی ندارند.
"پاسخ کوتاه به اینکه چرا ما نمی توانیم پرتو های کیهانی را تا رسیدن به منابع آن ها دنبال کنیم یک چیز است: میدان های مغناطیسی". در واقع پرتو های کیهانی که ذرات باردار پرانرژی هستند، توسط میدان های مغناطیسی که در مسیر ان ها وجود دارد منحرف می شوند. "به دلیل آنکه میدان های مغناطیسی حاضر در کیهان ساختاری محلی و کوچک دارند و جهت گیری آن ها نیز به صورت تصادفی است، پیش بینی مسیر دقیق یک پرتو کیهانی غیر ممکن است".

پرتوهای کیهانی چه هستند؟

آنچه که ما به طور یقین در مورد پرتوهای کیهانی می دانیم این است که این پرتوها از ذرات بسیار پرانرژی تشکیل شده اند. ذراتی به مانند پروتون، ذرات آلفا و هسته های اتم به مانند هیلوم و آهن.

طبیعتا کشف این ذرات در اوایل سال 1900 میلادی اهمیت فراوانی داشت. انرژی این ذرات بسیار فراتر از چیزی بود که تا آن زمان کشف شده بود. به طور مثال، انرژی متوسط یک فوتون خورشیدی حدود 1.4 الکترون ولت است. همچنین یک ذره آلفا که در طی فرآیند واپاشی اورانیوم-238 تولید می شود، انرژی برابر با 4.27x106 الکترون ولت دارد.

این ها را با یک پرتو کیهانی پرتون مقایسه کنید که می تواند انرژی برابر با 1x1020 الکترون ولت انرژی داشته باشد.

"تصور کنید که یک پرتون به نحوی شتاب دار شده است که انرژِی برابر با 100 ژول داشته باشد" "این انرژی معادل انرژی یک توپ تنیس است که سرعتی حدود 200 کیلومتر بر ساعت دارد با این تفاوت که توپ تنیس 1029 برابر سنگین تر از یک پرتون است.

این به این معنا است که یک پرتون تنها در حالتی می تواند به چنان انرژی بالایی برسد که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند.
بنابراین کیهان می بایست قادر باشد که ذرات را به نحوی تا رسیدن به این سطح از انرژی شتاب دار کند. فرآیندی که ما هنوز نمی دانیم چطور اتفاق می افتد.

فرآیندهای احتمالی

فرآیندهایی که قادر هستند پرتوهای کیهانی را به چنین سطحی از انرژی برسانند طبیعتا می بایست ناشی از رخدادهای بزرگ کیهانی باشند که همین امر منابع احتمالی را تا حدودی محدود می کند.

یکی از بهترین مکانیسم های شتاب گیری ذرات موج شوک است که در نتیجه ورود یک محیط با سرعت بالا به محیطی با سرعت پایین رخ می دهد و در نهایت منجر به ایجاد یک شوک یا همان تغییر ناگهانی در مشخصات یک محیط می شود. در مورد جهان ما این مشخصات سرعت و چگالی و حتی میدان مغناطیسی را شامل می شوند. در نتیجه این فرآیند، میدان بسیار آشفته می شود و ترکیب موج شوک و آشفتگی به یک شتاب دهنده فوق العاده تبدیل می شود.

اما سوال اینجا است که چه چیزی می تواند یک موج شوک را ایجاد نماید؟ یک منبع احتمالی ابرنواختر است. زمانی که پوسته مواد شوک شده به سمت بیرون ستاره در حال انفجار پرتاب می شوند، درست به مانند یک سونامی کیهانی با محیط سرد میان ستاره ای که در فضای میانی ستاره ها وجود دارد،  برخورد می کنند. پدیده موج شوک متحرک را می توان همچنین در کهکشان های فعال جست و جو کرد. جایی که پاشش پلاسما (Plasma Jet) وجود دارد. این یکی از مهم ترین دلایل است که بازمانده های ابرنواخترها و کهکشان های فعال از اصلی ترین منابع احتمالی شتاب گیری پرتوهای کیهانی به شمار می روند.

به همین دلیل، شناخت بهتر پرتوهای کیهانی و منابع آن ها، می تواند منجر به شناحت بهتر رخداد های فوق العاده پرانرژی کیهانی از جمله ابرنواخترها و برخوردهای میان سیاه چاله ها و ستاره های نوترونی گردد.

با این حال شاید برای شما جالب باشد که بدانید جست و جو بشر برای کشف منابع این پرتو های کیهانی ایتدا از جو زمین آغاز شد و سپس در اعماق زمین ادامه پیدا کرد.

اولین قدم ها در کشف پرتوهای کیهانی



تصویر ویکتور هس پس از بازگشت از پرواز با بالن که در نهایت منجر به کشف پرتوهای کیهانی و جهان انرژی های بالا گردید. تصویر از : APS/ Public Domain


در سال 1992 فیزیکدان امریکایی-اتریشی ، ویکتور هس (Victor Hess) اقدام به انجام چندین پرواز به جو زمین به وسیله یک بالن نمود که مجهر به الکتروسکوپ بود.
هدف او اندازه گیری تابش های یونیزه (Ionizing radiation) در اتمسفر زمین بود. در آن زمان عقیده عموم بر این بود که تابش هایی از خود زمین مسئول به وجود آمدن پدیده یونیزه شدن اتم ها هستند. اگر چنین بود طبیعتا یونیزاسیون می بایست در مناطق نزدیک به سطح زمین به بالاترین حد خود می رسید.

اما این چیزی نبود که ویکتور هس مشاهده کرد.

هس چیزی شگفت انگیز را مشاهده نمود. در ارتفاع 5.3 کیلومتری از سطح زمین، نرخ یونیزاسیون هوا به سه برابر مقدار آن در سطح دریا رسید. او به این نتیجه رسید که منبع این یونیزاسیون نه از پایین بلکه از بالا می باشد. اندازه گیری های بعدی در زمان خورشید گرفتگی نیز نشان داد که خورشید منبع این یونیزاسیون نبود.

طی هفت بار پرواز با بالون، ویکتور هس، پرتوهای کیهانی را که از منابعی فراتر از منظومه شمسی ما آمده بودند، کشف نمود. این پدیده در سال 1925 توسط رابرت میلیکان تایید و نام گذاری شد. هرچند آشکارسازی پرتوهای کیهانی با بالن آغاز شد ، اما جو بالایی زمین بهترین و راحت ترین آزمایشگاه برای بررسی این پدیده به شمار نمی رود.

به منظور بررسی برخوردهای ناشی از پرتوهای کیهانی ، فیزیکدانان ذرات ضمن بهره گیری از شتاب دهنده های غول پیکر سعی در بازسازی برخوردهایی دارند که در نتیجه ورود یک پرتو کیهانی به جو زمین اتفاق می افتد. یکی از بهترین این تلاش ها در آزمایشگاه CERN و در برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) به ثمر نشسته است. این آزمایش محیطی به اندازه 26 کیلومتر در زیر کشورهای فرانسته و سوییس را دربر می گیرد. با این وجود اما علیرغم تمام ابزار های به کار گرفته شده در این آزمایش و ابعاد فوق العاده بزرگ آن، این آزمایش هنوز نمی تواند به انرژی تولید شده در نتیجه برخوردهای ناشی از پرتوهای کیهانی دست باید.

این اختلاف انرژی اما یک مزیت هم دارد و آن غلبه بر شایعات در مورد اثرات مخرب چنین آزمایشگاه هایی است. اگر برخوردهایی با انرژی های به مراتب بالاتر منجر به تولید سیاه چاله هایی که زمین را ببلعد نمی شود جرا باید نگران بروز چنین اتفاقاتی در آزمایش های انجام شده در اعماق زمین بود؟


بخشی از آزمایش LHC که هم اکنون برای انجام بروزرسانی تعطیل شده است. حتی بعد از این اقدامات، انرژی برخوردهایی که در این شتاب دهنده ها ایجاد می شوند به مراتب کم تر از آن چیزی است که در جو زمین در حال رخ دادن است. تصویر از : Robert Lea



نجوم چند وجهی (Multi-messenger astronomy) ، آینده تحقیقات پرتوهای کیهانی

تقریبا در همان زمان که پرواز با یک بالن منجر به تغییر دیدگاه ما از کیهان برای همیشه شد، یک فیزیکدان به نام انیشتین در حال کار بر روی نظریه ای بود که می توانست به طور اساسی فهم ما را از ماهیت فضا-زمان تغییر دهد. این نظریه ده ها سال بعد توانست گام های بعدی را در بررسی هرچه بهتر پرتوهای کیهانی برای ما هموار سازد.

کشف امواج گرانشی، -افت و خیزهای فضا-زمان که توسط انیشتن در نظریه نسبیت عام پیش بینی شده بود- حالت جدیدی از علم نجوم را شکل داده است. این اکتشاف ما را قادر می سازد تا رویدادها و اجرامی را مورد بررسی قرار دهیم که هیچ گاه امیدی به رصد آن ها به تنهایی در در طیف الکترومغناطیسی نداشتیم.

ترکیب نجوم الکترومغناطیسی یا همان نجوم سنتی با آشکارسازی های ناشی از امواج گرانشی (به همراه آشکارسازی نوترینوها که ذراتی تقریبا بدون جرم و بار هستند ) به عنوان نجوم چند وجهی شناخته می شود. این شاخه جدید نقشی اساسی در بررسی پرتوهای کیهانی و به طور وسیع تر جهان انرژی های بالا در آینده ایفا خواهد کرد.

سیگنال موج گرانشی GW170817 که در نتیجه ادغام دو ستاره نوترونی پدید آمد در سال 2017 مشاهده شد. این امر از اهمیت بالایی هم برای نجوم چند وجهی و هم چنین امکان شناسایی منابع احتمالی پرتوهای کیهانی برخوردار بود. این پدیده با اهمیت نه تنها اولین رخدادی بود که به هر دو روش امواج گرانشی و تابش الکترومغناطیسی آشکارسازی شد بلکه مهر تاییدی بود بر آنکه ادغام بقایای ستاره ای می تواند ذرات را تا انرژی های بسیار زیاد شتاب دهد و در نتیحه منجر به ایجاد پرتوهای کیهانی شود.



تصویر خیالی از ادغام ستاره نوترونی که منجر به تولید موج گرانشی GW170817 گردید. تصویر از : NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)

راه دیگری به جز نجوم چند وجهی برای شناخت منابع پرتوهای کیهانی و اثرات آن ها وجود ندارد. نه تنها پرتو های کیهانی بلکه پرتوهای گاما و یا حتی نوترینوها به تنهایی نمی توانند سوالات ما را در این حوزه پاسخ دهند.
هر کدام از بخش های نجوم چند گانه دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که بخش های مختلف یک معما را کامل می کنند و تنها با به کارگیری همه این ابزار ها می توان به پاسخ نهایی دست پیدا کرد.

این امید می رود که در نتیجه پیشرفت های حاصل شده در نجوم چند وجهی امکان پاسخ به سوال قدیمی منابع پرتو های کیهانی تا دهه آینده ممکن باشد.

منبع:
astronomy.com


معرفی همایش

چهاردهمین کنفرانس ملی نجوم و اختر فیزیک ایران 6 و 7 بهمن ماه 1399 در دانشکده فیزیک دانشگاه سمنان برگزار می گردد. همچنین در تاریخ 8 بهمن 1399 ششمین مدرسه زمستانی انجمن نجوم ایران نیز با محوریت نجوم رادیویی در ادامه این کنفرانس برگزار خواهد شد.



فایل های مورد نیاز

دستور العمل نگارش مقاله
   
فونت های مورد نیاز

پوستر همایش

© کلیه حقوق این وب سایت محفوظ می باشد .
طراحی و پیاده سازی شده توسط : همایش نگار ( ویرایش 10.0.4)