با اسرار جدید پرتوهای مافوق قوی کیهان آشنا شوید

فیزیکدانان یک قدم به مبدا پرتوهای مافوق قوی کیهان نزدیک تر می شوند

ذراتی  کوچکتر از اتم ها از میان جهان ما با سرعتی نزدیک به سرعت نور سفر کرده و شتاب می گیرند و از چیزی و جایی در کیهان به درون فضا پرتاب می شوند.

همکاری علمی شکل گرفته در رصدخانه پیر اوگر(Pierre Auger)، متشکل از محققانی از دانشگاه دلور(Delware)، موفق به اندازه گیری قوی ترین این ذرات یا به عبارتی تشعشعات مافوق قوی و نیرومند کیهانی با دقتی بی سابقه شده است. در طی مطالعه، آن ها یک انحنا یا پیچ خوردگی در طیف انرژی این ذرات پیدا کردند که  منشا احتمالی این مسافران زیراتمی فضا را بیش از پیش روشن تر می کند.

یافته های تیم تحقیقاتی بر پایه آنالیز ۲۱۵۰۳۰ رویداد مرتبط با تشعشعات کیهانی حاوی انرژی بیشتر از ۲.۵ کوئینتیلیون الکترون ولت (ev) ثبت شده در طول دهه گذشته به وسیله رصدخانه پیر اوگر در آرژانتین بوده است. این بزرگترین رصدخانه در جهان در مطالعه پرتو های کیهانی است.

ویژگی جدید کشف شده که همان انحنا طیف انرژی پرتو کیهانی در حدود ۱۳ کوئینتیلیون الکترون ولت است، چیزی بیشتر از یک سری نقاط  ترسیم شده روی گراف را نشان می دهد.

فرانک شرودر استادیار موسسه تحقیقاتی بارتول واقع در دپارتمان فیزیک و اخترشناسی UD، که خودش نیز با حمایت بنیاد تحقیق دانشگاه دلور در مطالعه مشارکت داشته بیان می کند:

 این ویژگی یک قدم انسان را به حل معمای قوی ترین (پرانرژی ترین)  ذرات طبیعت نزدیک تر می کند.

فرانک شرودر

تحقیق بررسی شده در این مقاله در مجله Physical Review Letters و Physical Review D منتشر شده است.

شرودر می گوید:

از زمانی که صد سال پیش برای نخستین بار تشعشعات کیهانی کشف شدند، این سوال که چه چیزی به این ذرات شتاب می دهند برای مدت های طولانی وجود داشته است.

شرودر

اندازه گیری های انجام شده درطی این همکاری علمی در رصدخانه پیر اوگر، نکات پراهمیتی درباره این موضوع که چه چیزهایی را بعنوان منبع این شتاب می توان از لیست خود پاک کرد فراهم می کند. بر طبق کارهای قبلی صورت گرفته، می دانیم که شتاب دهنده در کهکشهان ما نیست. بر طبق آنالیز اخیر، ما قادریم هم چنین بر مشاهدات و نشانه های قبلی مهر تایید زنیم که اشعه های کیهانی مافوق قوی و پرانرژی تنها پروتون هایی از اتم هیدروژن نیستند، بلکه علاوه بر آن مخلوطی از هسته های عناصر سنگین تر آن ها را تشکیل می دهند و این ترکیب با انرژی تغییر می کند.

میان قوزک و انگشت!!!

شرودر و محقق پسا دکتری UD  آلن کولمن، که در آنالیز داده ها همکاری کرده است، سالهاست که اعضای همکاری پیر اوگر هستند. خود دپارتمان UD به صورت رسمی در سال ۲۰۱۸ به عنوان عضو موسسه ای به این همکاری پیوست. این تیم با بیش از ۴۰۰ دانشمند از ۱۷ کشور مختلف در مساحتی به اندازه ۱۲۰۰ مایل مربع و تقریبا به اندازه جزیره رود(Rhode)، کار رصدها را انجام می دهند.

در رصدخانه تعداد ۱۶۰۰ شناساگر به نام پایگاه های واتر چرنکوف (Water Cherenkov) وجود دارند که در پهنای دشت های مرتفع پامپا آماریا که به اسم مرغزار زرد رنگ نیز مشهور است گسترده شده اند و هم چنین رصدخانه با ۲۷ عدد تلسکوپ فلوئورسنت مسلح شده است.  در مجموع، این ابزارآلات انرژی ساطع شده توسط یک پرتو یا ذره کیهانی مافوق قوی که در هنگام ورود به اتمسفر آزاد می کند را اندازه گیری می کنند و به کمک آن می توان غیرمستقیم جرم آن ذرات را محاسبه نمود. تمامی این اطلاعات، از قبیل انرژی، جرم و مسیری که این ذرات خارق العاده از آن وارد می شوند، سرنخ های مهمی را درباره سرچشمه آنها به دست می دهند.

در گذشته دانشمندان بر این تصور بودند که این پرتو یا ذرات کیهانی مافوق قوی اکثرا متشکل از پروتون های اتم هیدروژن هستند، در صورتی که تازه ترین آنالیز ما این نکته را تایید می کند که این ذرات مخلوطی از هسته های مختلف بوده که برخی از آنها سنگین تر از اکسیژن یا هلیوم، برای مثال سیلیکون و آهن هستند.   

با ترسیم طیف انرژی پرتوهای کیهانی بر روی منحنی گراف، شما می توانید انحنا واقع شده بین یک سراشیبی و ناحیه ای مسطح در نمودار که بین قسمتی که دانشمندان آن را قوزک و نقطه ابتدایی گراف است که به نام انگشت لقب گرفته است قرار دارد مشاهده کنید.

کولمن که در میان ۲۰ نفر نویسنده کدهای کامپیوتری بوده و کار رند کردن ارقام در آنالیز وسیع داده ها را بر عهده داشت می گوید:

ما نام خاصی برای آن نداریم.

او به مزاح اضافه می کند:

تصور می کنم دیگه اسمی نداریم که روش بزاریم و دایره لغات آناتومی ما تموم شده.

کولمن که مستقیما در جریان محاسبات و یافته ها بود توانست راهی برای ارتقای بازسازی آبشار ذره ای که پرتوهای کیهانی هنگام عبور از اتمسفر ایجاد می کنند پیدا کند و از آن برای تخمین انرژی بهره ببرد. او هم چنین مطالعات و محاسبات دقیقی انجام داد تا مطمئن شوند که این نقطه انحنای جدید واقعی بوده و محصول خطای شناساگرها نیست. تلاش های گروه داده ها بیش از ۲ سال زمان برد.

کولمن درباره انحنای طیفی بیان می کند:

مشخصا این مقدار ناچیزی است. اما هر زمان که شما ضربه ای نظیر این را می بینید، نشان دهنده آن ست که فیزیک در حال تغییر است و این بسیار هیجان انگیز است.

کولمن

او هم چنین اضافه می کند:

کار بسیار مشکلی است تا جرم این پرتوهای کیهانی وارد شده را اندازه بگیریم. ولی اندازه گیری ما آن چنان قدرتمند و دقیق است که شماری از مدل های نظری دیگر مطرح کننده سرچشمه پرتوهای کیهانی مافوق قوی را می توان اکنون کنار گذاشت و این در حالیست که مسیرهای دیگر را می توان با نیروی هر چه تمام تر پیگیری و مطالعه کرد.

کولمن

در حال حاضر هسته های فعال کهکشانی (AGN) و کهکشهان هایی که در آن ها ستاره ها منفجر شده اند، به عنوان منابع بالقوه شناخته می شوند. در حالیکه مسافت معمول آن ها از ما چیزی حدود ۱۰۰ میلیون سال نوری است، کاندید های کمی در فاصله ۲۰ میلیون سال نوری وجود دارد.

کولمن می گوید:

اگر میدانستیم که منابع این ذرات چه هستند، می توانستیم جزئیات تازه تری از اینکه چه اتفاقی در حال وقوع است در اختیار داشته باشیم.

به راستی چه اتفاقی در حال وقوع است که اجازه داشتن چنین انرژی های بالایی را به این ذرات می دهد؟ این ذرات می توانند از جایی بیایند که ما حتی نمی شناسیم.

مطالعه پیش رو توسط تیم UD بر روی افزایش دقت اندازه گیری های پرتوهای کیهانی مافوق قوی تمرکز خواهد کرد و هم چنین خواهد کوشید دقت اندازه گیری طیف پرتوهای کیهانی را به سوی انرژی های پایین تر افرایش دهد. بر طبق گفته ی شرودر این اتفاق باعث هم پوشانی بهتر با دیگر آزمایش ها خواهد شد و از آن نمونه می توان به اندازه گیری پرتوهای کیهانی توسط قطعات یخ در قطب جنوب اشاره کرد که در یکی دیگر از رصدخانه های منحصر بفرد ذرات و نجوم با همکاری گسترده دانشگاه دلور در حال انجام است.