دانشمندان شاید منشأ بمباران زمین با پرتوهای کیهانی را یافته باشند
در پژوهشی تازه ممکن است دانشمندان منشأ پرتوهای کیهانی که زمین را بمباران می‌کنند، یافته باشند: بقایای بادی و آشفته‌ی اطراف ستارگان تازه منفجر شده که پرانرژی‌ترین و سریع‌ترین ذرات جهان را به فضا پرتاب می‌کنند.
ستارگان نوترونی بسیار مغناطیسی که با عنوان «تپ‌اختر» (Pulsar) شناخته می‌شوند، بادهای مغناطیسی سریع و قوی ایجاد می‌کنند. حالا در مطالعه‌ای که ۲۸ آوریل (۸ اردیبهشت) در «استروفیزیکال ژورنال لترز» (Astrophysical Journal Letters) منتشر شد، اخترفیزیکدانان اعلام کردند که وقتی ذرات باردار، به‌ویژه الکترون‌ها، در چنین شرایط آشفته‌ای گرفتار می‌شوند، می‌توانند به سطح انرژی بسیار شدیدتری دست یابند.
حتی این الکترون‌های پرسرعت به نوبه‌ی خود می‌توانند نور محیط اطراف را تا انرژی‌های بسیار زیاد بالا ببرند و احتمالا فوتون‌های 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 مطالعه‌ای نخستین گام در کشف ارتباط بین تپ‌اخترها و پرتوهای پرانرژی است.»
شناسایی قدرتمندترین پرتوهای کیهان
سال گذشته بود که محققان «رصدخانه‌ی بزرگ دوش هوای ارتفاع بالا» (Large High Altitude Air Shower Observatory) یا LHAASO در چین، از کشف پرانرژی‌ترین پرتوهای گامای شناسایی شده تا کنون، با انرژی تا ۱.۴ کوادریلیون الکترون ولت خبر دادند. این تقریبا ۱۰۰ برابر پرانرژی‌تر از بالاترین انرژی‌های قابل دستیابی با شتاب‌دهنده‌ی ذرات قدرتمند جهان، یعنی «برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ» (Large Hadron Collider) در نزدیکی ژنو است.
شناسایی علت ایجاد این پرتوهای پرانرژی گاما در حقیقت می‌تواند به یافتن منشأ «پرتوهای کیهانی» (Cosmic Rays) کمک کند؛ پروتون‌های پرسرعت شامل هسته‌های اتمی سنگین و الکترون‌هایی هستند که زمین را از مناطقی فراسوی منظومه‌ی شمسی بمباران می‌کنند.
تصور می‌شود که برخی از پرتوهای گاما از همان محیط‌های پرتوهای کیهانی، سرچشمه می‌گیرند. یکی از راه‌های تولید آن‌ها این است که پرتوهای کیهانی، اندکی پس از پرتاب، به فوتون‌های محیطی نسبتا کم‌انرژی برخورد و آن‌ها را به پرتوهای گامای پرانرژی تبدیل کنند.
اما پرتوهای کیهانی باردار الکتریکی، تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی کهکشانی قرار می‌گیرند و در یک خط مستقیم حرکت نمی‌کنند، بنابراین ردیابی منبع این ذرات پرسرعت، دشوار است. با این حال، میدان‌های مغناطیسی در پرتوهای پرانرژی گاما تأثیر ندارد و اخترفیزیکدانان می‌توانند مسیرهای پایدار آن‌ها را به سمت منبع دنبال کنند و بدین ترتیب محل ایجاد پرتوهای کیهانی را هم شناسایی کنند.
کشف سرچشمه‌ی پرتوهای کیهانی
برای این کار، تیم LHAASO صدها فوتون پرتو گاما را که در ۱۲ نقطه در آسمان شناسایی و ردیابی کردند. در حالی که این تیم یک نقطه را در سحابی خرچنگ، بقایای ابرنواختری در فاصله‌ی حدود ۶۵۰۰ سال نوری از زمین، شناسایی کرد، پژوهشگران پیشنهاد کردند که بقیه‌ی نامزدها می‌توانند با مکان‌های دیگر انفجارهای ستاره‌ای یا حتی خوشه‌های ستاره‌ای جوان مرتبط باشند.
در مطالعه‌ی جدید، اخترفیزیکدان «اما دو اونا ویلهلم» (Emma de Oña Wilhelmi) و همکارانش به یکی از آن نقاط مبدأ احتمالی دست یافتند: «سحابی باد تپ‌اختری» (Pulsur Wind Nebula) که ابرهای متلاطم و ذرات باردار اطراف یک تپ‌اختر هستند.
محققان متقاعد نشده بودند که این مکان‌ها می‌توانند چنین ذرات و نور پرانرژی ایجاد کنند، بنابراین تلاش کردند تا از طریق محاسبات نشان دهند که سحابی‌های 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، می‌توان تمام منابع (دیده شده توسط LHAASO) را توضیح داد.»
تپ‌اخترهای جوان در قلب این سحابی‌ها، که بیش از ۲۰۰ هزار سال سن ندارند، به دلیل میدان‌های مغناطیسی فوق‌العاده قوی خود و ایجاد حباب مغناطیسی آشفته‌ای به نام «مغناطیس‌سپهر» یا «مگنتوسفر» (Magnetosphere) را ایجاد می‌کنند، می‌توانند تمام این جریان‌های شدید را ایجاد کنند.
برخورددهنده‌ی کیهانی ذرات
هر ذره‌ی باردار که در یک میدان مغناطیسی شدید حرکت می‌کند، شتاب می‌گیرد و برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ هم به همین روش انرژی ذرات را تا انرژی‌های شدید افزایش می‌دهد. این تیم محاسبه کرد که اگرچه یک شتاب‌دهنده‌ی تپ‌اختری هم به روشی مشابه می‌تواند ذرات را به انرژی‌های بالاتری ببرد.
این به این دلیل است که الکترون‌ها از مغناطیس‌کره‌ی تپ‌اختر فرار می‌کنند و با مواد و میدان‌های مغناطیسی ناشی از انفجار ستاره‌ای که تپ‌اختر را ایجاد کرده است، تداخل پیدا می‌کنند. این میدان‌های مغناطیسی می‌توانند الکترون‌ها را به انرژی‌های بالاتر شتاب دهند و اگر آن‌ها به فوتون‌های محیطی برخورد کنند، آن‌ها را برانگیخته‌تر می‌کنند و باعث ایجاد پرتوهای گاما می‌شوند.
به گفته‌ی فانگ: «تپ‌اخترها با داشتن چندین مکان برای شتاب‌دهی ذرات، شتاب‌دهنده‌های بسیار قدرتمندی هستند.» و این موضوع در حال حاضر می‌تواند منجر به کمی سردرگمی شود. تلسکوپ‌های پرتو گاما دید بسیار کمی دارند. برای نمونه LHASSO می‌تواند جزئیات اندکی به اندازه‌ی نصف ماه کامل را تشخیص دهد. به گفته‌ی دو اونا ویلهلمی، منابع پرتو گامایی که این تلسکوپ شناسایی کرد، شبیه حباب هستند که ممکن است چندین منبع انرژی درون آن حباب‌ها وجود داشته باشد و برای رصدخانه‌های فعلی قابل تشخیص نباشد.
او تأکیرد کرد: «با توان تفکیک بهتر و حساسیت بالاتر، باید بتوانیم تشخیص دهیم که شتاب‌دهنده‌ی اصلی این ذرات کجاست.» چند رصدخانه‌ی آینده مانند «آرایه‌ی تلسکوپ چرنکوف» (Cherenkov Telescope Array) و «رصدخانه‌ی پرتو گامای میدان گسترده‌ی جنوبی» (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) می‌توانند کمک کنند، اما هنوز سال‌ها با فعالیت آن‌ها فاصله داریم.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از یک سحابی باد تپ‌اختری
Credit: X-Ray: CXC/SAO/NASA; Optical: STSCI/NASA; Infrared: JPL-Caltech/NASA
منبع: Science News
