دانشمندان شاید منشأ بمباران زمین با پرتوهای کیهانی را یافته باشند
به گزارش دَبی بلاگ، در پژوهشی تازه ممکن است دانشمندان منشأ پرتوهای کیهانی که زمین را بمباران می کنند، یافته باشند: بقایای بادی و آشفته اطراف ستارگان تازه منفجر شده که پرانرژی ترین و سریع ترین ذرات جهان را به فضا پرتاب می کنند.
ستارگان نوترونی بسیار مغناطیسی که با عنوان تپ اختر (Pulsar) شناخته می شوند، بادهای مغناطیسی سریع و قوی ایجاد می کنند. حالا در مطالعه ای که 28 آوریل (8 اردیبهشت) در استروفیزیکال ژورنال لترز (Astrophysical Journal Letters) منتشر شد، اخترفیزیکدانان اعلام کردند که وقتی ذرات باردار، به ویژه الکترون ها، در چنین شرایط آشفته ای گرفتار می شوند، می توانند به سطح انرژی بسیار شدیدتری دست یابند.
حتی این الکترون های پرسرعت به نوبه خود می توانند نور محیط اطراف را تا انرژی های بسیار زیاد بالا ببرند و احتمالا فوتون های پرانرژی پرتو گاما ایجاد کنند. همان پرتوهایی که باعث کنجکاوی اخترشناسان برای شناسایی این پرتابگرهای ذره شد. کی فانگ (Ke Fang) اخترفیزیکدان دانشگاه ویسکانسین، مدیسون که با این پژوهش تازه همکاری نداشته است، گفت: چنین مطالعه ای نخستین گام در کشف ارتباط بین تپ اخترها و پرتوهای پرانرژی است.
شناسایی قدرتمندترین پرتوهای کیهان
سال گذشته بود که محققان رصدخانه بزرگ دوش هوای ارتفاع بالا (Large High Altitude Air Shower Observatory) یا LHAASO در چین، از کشف پرانرژی ترین پرتوهای گامای شناسایی شده تا کنون، با انرژی تا 1.4 کوادریلیون الکترون ولت خبر دادند. این تقریبا 100 برابر پرانرژی تر از بالاترین انرژی های قابل دستیابی با شتاب دهنده ذرات قدرتمند جهان، یعنی برخورددهنده هادرونی بزرگ (Large Hadron Collider) در نزدیکی ژنو است.
شناسایی دلیل ایجاد این پرتوهای پرانرژی گاما در حقیقت می تواند به یافتن منشأ پرتوهای کیهانی (Cosmic Rays) کمک کند؛ پروتون های پرسرعت شامل هسته های اتمی سنگین و الکترون هایی هستند که زمین را از مناطقی فراسوی منظومه شمسی بمباران می کنند.
تصور می شود که برخی از پرتوهای گاما از همان محیط های پرتوهای کیهانی، سرچشمه می گیرند. یکی از راه های تولید آن ها این است که پرتوهای کیهانی، اندکی پس از پرتاب، به فوتون های محیطی نسبتا کم انرژی برخورد و آن ها را به پرتوهای گامای پرانرژی تبدیل کنند.
اما پرتوهای کیهانی باردار الکتریکی، تحت تأثیر میدان های مغناطیسی کهکشانی قرار می گیرند و در یک خط مستقیم حرکت نمی کنند، بنابراین ردیابی منبع این ذرات پرسرعت، سخت است. با این حال، میدان های مغناطیسی در پرتوهای پرانرژی گاما تأثیر ندارد و اخترفیزیکدانان می توانند مسیرهای پایدار آن ها را به سمت منبع دنبال کنند و بدین ترتیب محل ایجاد پرتوهای کیهانی را هم شناسایی کنند.
کشف سرچشمه پرتوهای کیهانی
برای این کار، تیم LHAASO صدها فوتون پرتو گاما را که در 12 نقطه در آسمان شناسایی و ردیابی کردند. در حالی که این تیم یک نقطه را در سحابی خرچنگ، بقایای ابرنواختری در فاصله حدود 6500 سال نوری از زمین، شناسایی کرد، پژوهشگران پیشنهاد کردند که بقیه نامزدها می توانند با مکان های دیگر انفجارهای ستاره ای یا حتی خوشه های ستاره ای جوان مرتبط باشند.
در مطالعه نو، اخترفیزیکدان اما دو اونا ویلهلم (Emma de Oña Wilhelmi) و همکارانش به یکی از آن نقاط مبدأ احتمالی دست یافتند: سحابی باد تپ اختری (Pulsur Wind Nebula) که ابرهای متلاطم و ذرات باردار اطراف یک تپ اختر هستند.
محققان متقاعد نشده بودند که این مکان ها می توانند چنین ذرات و نور پرانرژی ایجاد کنند، بنابراین تلاش کردند تا از طریق محاسبات نشان دهند که سحابی های باد تپ اختری منشأ پرتوهای گامای شدید نیستند. اما نتیجه خلاف انتظار بود. دو اونا ویلهلمی، از مرکز تحقیقات سنکروترون الکترون آلمان گفت: در کمال تعجب، ما مشاهده کردیم که در شرایط بسیار شدید، می توان تمام منابع (دیده شده از طریق LHAASO) را توضیح داد.
تپ اخترهای جوان در قلب این سحابی ها، که بیش از 200 هزار سال سن ندارند، به دلیل میدان های مغناطیسی فوق العاده قوی خود و ایجاد حباب مغناطیسی آشفته ای به نام مغناطیس سپهر یا مگنتوسفر (Magnetosphere) را ایجاد می کنند، می توانند تمام این جریان های شدید را ایجاد کنند.
برخورددهنده کیهانی ذرات
هر ذره باردار که در یک میدان مغناطیسی شدید حرکت می کند، شتاب می گیرد و برخورددهنده هادرونی بزرگ هم به همین روش انرژی ذرات را تا انرژی های شدید افزایش می دهد. این تیم محاسبه کرد که اگرچه یک شتاب دهنده تپ اختری هم به روشی مشابه می تواند ذرات را به انرژی های بالاتری ببرد.
این به این دلیل است که الکترون ها از مغناطیس کره تپ اختر فرار می کنند و با مواد و میدان های مغناطیسی ناشی از انفجار ستاره ای که تپ اختر را ایجاد کرده است، تداخل پیدا می کنند. این میدان های مغناطیسی می توانند الکترون ها را به انرژی های بالاتر شتاب دهند و اگر آن ها به فوتون های محیطی برخورد کنند، آن ها را برانگیخته تر می کنند و باعث ایجاد پرتوهای گاما می شوند.
به گفته فانگ: تپ اخترها با داشتن چندین مکان برای شتاب دهی ذرات، شتاب دهنده های بسیار قدرتمندی هستند. و این موضوع در حال حاضر می تواند منجر به کمی سردرگمی شود. تلسکوپ های پرتو گاما دید بسیار کمی دارند. برای نمونه LHASSO می تواند جزئیات اندکی به مقدار نصف ماه کامل را تشخیص دهد. به گفته دو اونا ویلهلمی، منابع پرتو گامایی که این تلسکوپ شناسایی کرد، شبیه حباب هستند که ممکن است چندین منبع انرژی درون آن حباب ها وجود داشته باشد و برای رصدخانه های فعلی قابل تشخیص نباشد.
او تأکیرد کرد: با توان تفکیک بهتر و حساسیت بالاتر، باید بتوانیم تشخیص دهیم که شتاب دهنده اصلی این ذرات کجاست. چند رصدخانه آینده مانند آرایه تلسکوپ چرنکوف (Cherenkov Telescope Array) و رصدخانه پرتو گامای میدان گسترده جنوبی (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) می توانند کمک کنند، اما هنوز سال ها با فعالیت آن ها فاصله داریم.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سحابی باد تپ اختری
Credit: X-Ray: CXC/SAO/NASA; Optical: STSCI/NASA; Infrared: JPL-Caltech/NASA
منبع: Science News
منبع: دیجیکالا مگ