منشأ پرتو‌های کیهانی پرانرژی کشف شد

پژوهشگران به جمع‌آوری داده‌های چندین تلسکوپ پرداخته‌اند تا نشان دهند که مرگ ناشی از انفجار ستاره‌ای می‌تواند برخی از سریع‌ترین ذرات جهان را ایجاد کند.

"برخورددهنده هادرونی بزرگ" (LHC) در "سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای" یا "سرن" (CERN)، یکی از جاه‌طلبانه‌ترین اقدامات در حوزه فیزیک ذرات به شمار می‌رود. دانشمندان با هزینه‌ای حدود پنج میلیارد دلار توانستند حلقه‌ای از آهن‌ربا‌های ابررسانا را بسازند که آنقدر سرد شد تا به دمایی سردتر از فضا برسد. آن‌ها می‌توانند از این فناوری برای شتاب دادن ذرات زیراتمی استفاده کنند تا به سرعتی نزدیک به سرعت نور برسند.

در هر حال، طبیعت این کار را بهتر انجام می‌دهد. بیش از یک قرن است که فیزیکدانان از وجود پرتو‌های کیهانی که ذرات بارداری از فضای بیرونی هستند و روی زمین فرود می‌آیند، شگفت‌زده شده‌اند. پرتو‌های کیهانی می‌توانند با سرعتی بیش از یک "پتا الکترون ولت" (PeV) انرژی به سیاره ما برسند. اگرچه هیچ کمبودی برای مطالعه پرتو‌های کیهانی وجود ندارد، اما دانشمندان عمدتا درک نکرده‌اند که دقیقا چه چیزی می‌تواند ذرات را به داشتن چنین سرعت‌های فوق‌العاده‌ای سوق دهد.

گروهی متشکل از پنج دانشمند در پروژه جدیدی تلاش کرده‌اند که این معما را تا حدودی حل کنند. آن‌ها از طریق ترکیب داده‌های "تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی" (FGST) ناسا با مشاهدات به دست آمده از ۹ آزمایش دیگر، یک باقیمانده ابرنواختر را به عنوان منبع پروتون‌های PeV شناسایی کرده‌اند. کشف این کارخانه‌های پرتو کیهانی که دانشمندان آن‌ها را "پِواترون" (PeVatron) می‌نامند، در نهایت به آن‌ها کمک می‌کند تا شرایط محیطی که این ذرات را به حرکت در می‌آورند و نقشی را که در تکامل کیهان دارند، مشخص کنند.

"کی فانگ" (Ke Fang)، اخترفیزیکدان "دانشگاه ویسکانسین-مدیسن" (UW–Madison) و سرپرست این پژوهش گفت: شناسایی این پِواترون‌ها، نخستین گام به سوی درک جهان پر انرژی‌تر خواهد بود. تاکنون، تنها دو پِواترون بالقوه در کهکشان راه شیری ردیابی شده‌اند؛ یک سیاه‌چاله بزرگ در مرکز کهکشان ما و یک منطقه ستاره‌ساز که در حومه آن قرار دارد. در نظریه‌ها، بقایای ابرنواختر که گاز و غبار به جا مانده از مرگ انفجاری ستارگان هستند نیز باید بتوانند پروتون‌های PeV را تولید کنند، اما تاکنون، هیچ شواهدی برای تایید این موضوع وجود نداشته است.

"متیو کر" (Matthew Kerr)، فیزیکدان آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی آمریکا" (NRL) و از پژوهشگران این پروژه گفت: وقتی ستاره‌های بزرگ منفجر می‌شوند، امواج ضربه‌ای را تولید می‌کنند که در محیط میان‌ستاره‌ای منتشر می‌شوند. پروتون‌ها در میدان مغناطیسی بقایای ابرنواختر به دام می‌افتند، در مجاورت امواج ضربه‌ای چرخ می‌زنند و با هر دور تقویت می‌شوند. این روند تقریبا مانند موج‌سواری است و تا زمانی که انرژی کافی را برای فرار به دست آورند، ادامه می‌یابد. در هر حال، ما در واقع نمی‌توانیم به آنجا برویم و یک آشکارساز ذره را در بقایای ابرنواختر قرار دهیم تا بفهمیم که آیا این نظریه درست است یا خیر.

اگرچه مقدار زیادی از پروتون‌های PeV به زمین می‌افتند، اما دانشمندان نمی‌توانند بگویند که این ذرات از کدام جهت می‌آیند، زیرا پرتو‌های کیهانی در جهان به صورت زیگزاگ حرکت می‌کنند. آن‌ها مانند توپ‌های پینگ‌پنگ پرتاب می‌شوند و در میدان‌های مغناطیسی می‌چرخند. این موضوع، ردیابی آن‌ها را برای رسیدن به منشا غیرممکن می‌سازد. با بررسی بقایای ابرنواختر، دانشمندان متوجه درخشش پرتو‌های گاما شدند که بر خلاف ذرات باردار، در خطوط مستقیمی از محل تولد خود به طرف زمین حرکت می‌کنند. این یک سرنخ بود که نشان می‌داد اگر پروتون‌های PeV وجود داشته باشند، ممکن است با گاز بین ستاره‌ای در تعامل قرار بگیرند و ذرات ناپایداری به نام "پیون" (pions) را تولید کنند که به سرعت به پرتو‌های گاما تجزیه می‌شوند.

پرتو‌های گاما که از این بقایای ابرنواختر منتشر می‌شوند، از سال ۲۰۰۷ توسط تلسکوپ‌ها دیده شده‌اند، اما نور فوق‌العاده پرانرژی تا سال ۲۰۲۰ شناسایی نشد. رصدخانه "HAWC" در مکزیک، در سال ۲۰۲۰ آن را شناسایی کرد و علاقه دانشمندانی را که در جستجوی پِواترون‌های کهکشانی بودند، برانگیخت. هنگامی که پرتو‌های گاما به جو ما می‌رسند، می‌توانند بارانی از ذرات باردار تولید کنند که با تلسکوپ‌های روی زمین قابل اندازه‌گیری هستند. دانشمندان با استفاده از داده‌های HAWC توانستند مشخص کنند که پرتو‌های گاما از بقایای ابرنواختر می‌آیند، اما آن‌ها نتوانستند بگویند که آیا نور توسط پروتون‌ها تولید شده است یا الکترون‌های سریع که می‌توانند پرتو‌های گاما، پرتو‌های ایکس و امواج رادیویی با انرژی پایین‌تر را ساطع کنند.

این گروه پژوهشی، داده‌هایی را در طیف گسترده‌ای از انرژی‌ها و طول موج‌ها بررسی کردند که در دهه گذشته با استفاده از ۱۰ رصدخانه مختلف جمع‌آوری شده بودند. سپس، آن‌ها به شبیه‌سازی رایانه‌ای روی آوردند. پژوهشگران با تغییر دادن مقادیر مختلفی مانند قدرت میدان مغناطیسی یا چگالی ابر گازی سعی کردند شرایط لازم برای محاسبه طول موج‌های مختلف نور را بازتولید کنند. صرف نظر از آنچه آن‌ها تنظیم کردند، الکترون‌ها نمی‌توانستند تنها منبع باشند. شبیه‌سازی‌های آن‌ها تنها در صورتی با بالاترین داده‌های انرژی مطابقت دارد که پروتون‌های PeV به عنوان منبع اضافی نور در نظر گرفته شود.

"هنریک فلیشک" (Henrike Fleischhack)، اخترشناس "دانشگاه کاتولیک آمریکا" (CUA) که نخستین بار دو سال پیش این تجزیه و تحلیل را فقط با مجموعه داده‌های رصدخانه HAWC انجام داده بود، گفت: ما توانستیم این موضوع را رد کنیم که تابش عمدتا توسط الکترون‌ها تولید می‌شود، زیرا طیفی که ما به دست آوردیم، با مشاهدات مطابقت نداشت.

به گفته فلیشک، انجام دادن یک تحلیل روی چند طول موج، بسیار مهم بود، زیرا برای مثال، به پژوهشگران نشان داد که افزایش تعداد الکترون‌ها در یک طول موج منجر به عدم تطابق بین داده‌ها و شبیه‌سازی در طول موج دیگر می‌شود. این بدان معناست که تنها راه برای توضیح دادن طیف کامل نور، حضور پروتون‌های PeV بود.

"دیوید سالتزبرگ" (David Saltzberg)، اخترفیزیکدان "دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس" (UCLA) که از اعضای این گروه پژوهشی نبوده است، گفت: این نتیجه مستلزم توجه بسیار دقیق به بودجه انرژی بود. این پژوهش نشان می‌دهد که برای پاسخ دادن به پرسش‌های بزرگ، به آزمایش‌ها و رصدخانه‌های بسیاری نیاز داریم.

فانگ امیدوار است که در آینده، پِواترون‌های بیشتری پیدا شوند که به آن‌ها کمک کنند تا بفهمند آیا این یک کشف منحصربه‌فرد است و اینکه آیا همه اجساد ستاره‌ای، توانایی شتاب دادن به ذرات تا چنین سرعتی را دارند یا خیر. وی افزود: این می‌تواند فقط نوک کوه یخ باشد. فناوری‌های رو به رشدی مانند "آرایه تلسکوپ چرنکوف" (CTA) حتی ممکن است بتوانند پِواترون‌ها را فراتر از کهکشان خودمان پیدا کنند.

سالتزبرگ نیز باور دارد که آزمایش‌های نسل بعدی ممکن است بتوانند "نوترینوها" (Neutrinos) را که از بقایای ابرنواختر می‌آیند، ببینند. نوترینوها، ذراتی ریز و خنثی هستند که می‌توانند هنگام فروپاشی پیون‌ها نیز ایجاد شوند. تشخیص آن‌ها با "رصدخانه ردیاب نوترینو آیس کیوب" (IceCube Neutrino Observatory) صورت می‌گیرد که ردپای آن‌ها را در قطب جنوب شکار می‌کند. فانگ گفت: اگر تلسکوپ‌هایی مانند آیس کیوب بتوانند نوترینو‌ها را مستقیما ببینند، فوق‌العاده خواهد بود، زیرا نوترینو‌ها کاوشگر‌هایی از تعامل پروتون هستند و نمی‌توانند توسط الکترون‌ها ساخته شوند.

یافتن پِواترون‌های جهان نهایتا به درک این موضوع می‌انجامد که آثار مرگ ستاره‌ای چگونه راه را برای تولد ستارگان جدید هموار می‌سازد و چگونه ذراتی با بالاترین انرژی، سوخت این چرخه کیهانی را تامین می‌کنند. پرتو‌های کیهانی بر فشار و دما تأثیر می‌گذارند، باد‌های کهکشانی را به حرکت در می‌آورند و مولکول‌ها را در مناطق بارور ستاره‌ای مانند بقایای ابرنواختر‌ها یونیزه می‌کنند. برخی از آن ستارگان ممکن است سیاره‌های خود را تشکیل دهند یا یک روز منفجر شوند و این روند دوباره از نو آغاز شود.

کر گفت: بررسی پرتو‌های کیهانی تقریبا به اندازه بررسی سیارات فراخورشیدی یا هر جرم دیگری برای درک منشا حیات مهم است. همه این موارد، یک سیستم پر انرژی و بسیار پیچیده هستند. ما اکنون به درک این سیستم رسیده‌ایم.