راز صدساله فیزیک حل شد: پرتوهای کیهانی کجا متولد می شوند؟

**sr hesabi** · 20th February 2013 07:25 PM

پرتوهای کیهانی، ذرات باردار بسیار پرانرژی هستند که از همه جای جهان به ما می‌رسند، اما منشأ این انرژی عظیم چیست؟ اکنون شواهد قطعی یافت شد که موج ضربه‌ای انفجارهای ابرنواختری انرژی این ذرات را تامین می‌کند.

به گزارش علم پرس به نقل از خبرآنلاین پروتون‌هایی که دائماً با سرعتی نزدیک به سرعت نور به جو زمین برخورد می‌کنند، انرژی عظیم مورد نیاز برای شتاب گرفتن خود را از ستاره‌های در حال انفجار به دست می‌آورند. دست‌کم فیزیک‌دانان و اختر‌شناسان مدت‌ها بود که چنین تصوری داشتند، اما نمی‌توانستند شاهدی برای آن پیدا کنند.

به گزارش نیچر، پرتوهای کیهانی عبارتند از هر ذره بارداری که از فضا به سمت زمین گسیل می‌شود. تقریباً تمام این ذرات باردار پروتون هستند و برخی از آن‌ها به سرعتی آن‌قدر نزدیک به نور دست می‌یابند که ما در هیچ شتاب‌دهنده‌ای روی زمین نمی‌توانیم چنین سرعتی بهشان بدهیم. گرچه از سال ۱۹۱۲/۱۲۹۱ درباره پرتوهای کیهانی می‌دانیم، اما منشاء آن‌ها برای ما تا اندکی پیش یک راز بود. رازی صد ساله!

استیفن فانک از آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC در کالیفرنیا این راز صدساله را این گونه وصف می‌کند: «راز این‌جاست که این همه انرژی از کجا می‌آید؟»

فیزیک‌دان‌ها به عنوان یکی از مظنونین، انگشت اتهام را به سوی انفجارهای ابرنواختری گرفته بودند. موادی که طی فرایند انفجار ابرنواختر به بیرون پاشیده می‌شود، آن‌قدر سریع هستند که یک موج ضربه‌ای کیهانی ایجاد می‌کنند. هر پروتونی که در مسیر این موج ضربه‌ای قرار بگیرد، سوار موج می‌شود و با لگد موج انرژی می‌گیرد. از آن‌جا که پروتون‌ها باردارند، می‌توانند درون میدان‌های مغناطیسی ابرنواختر به دام بیافتند و همراه با موج به جلو و عقب بروند، درست همان طور که یک توپ تنیس در برخورد با تور تنیس گیر می‌کند و برمی‌گردد. یک تقلای تمام عیار
با این وجود میدان‌های مغناطیسی می‌توانند باعث منحرف‌شدن پرتوهای کیهانی بر سر راهشان تا گیرنده‌های ما در زمین هم بشوند، بنابراین این که در چه مسیری به زمین می‌رسند، نشانه‌ای بر جهت شروع سفرشان به همراه ندارد، چراکه ممکن است بارها و بارها طی مسیر تغییر جهت داده باشند.
بنابراین دانشمندان باید طور دیگری به این معما نگاه می‌کردند؛ شاید به کمک امواج گاما. می‌دانیم که پروتون‌های پرانرژی در مسیر حرکتشان با پروتون‌های کند برخورد می‌کنند و از برخورد آن‌ها امواج گاما ایجاد می‌شود. خوشبختانه امواج گاما از جنس نور هستند، یعنی تحت تأثیر میدان مغناطیسی مسیرشان را عوض نمی‌کنند.
فانک و همکارانش با استفاده از تلسکوپ فضایی امواج گامای فرمی، به دو بازمانده بسیار درخشان از ابرنواخترهای تازه منفجرشده در کهکشان نگاه کردند تا ببینند آیا امواج گامای رسیده از این ابرنواخترها دارای شناسه‌ای هست که نشان دهد از برخورد پروتون‌های سریع و کند منشاء گرفته است یا نه.
به خاطر قانون بقای انرژی، امواج گامای ناشی از برخورد پروتون‌ها دارای دست کم ۱۵۰ تا ۲۰۰ مگاالکترون‌ولت انرژی به ازای هر برخورد خواهد بود. اگر تعداد زیادی پروتون سریع در اطراف ابرنواختر دچار برخورد شوند و امواج گاما ساطع کنند، امواج گامای رسیده از آن ناحیه باید دست کم همین مقدار انرژی داشته باشند و آن طور که فانک می‌گوید «این دقیقاً همان چیزی بود که ما توانستیم ببینیم». این امضای پروتون‌هایی است که دارند با پروتون‌های کندتر برخورد می‌کنند و انرژی تابشی شدیدی از خودشان ساطع می‌کنند، درست مثل دودی که از دهانه یک شش‌لول تازه شلیک شده برمی‌خیزد.
این بقایای ابرنواختری همان جایی هستند که تابش‌های کیهانی زائیده می‌شوند، شتاب می‌گیرند و البته تا مدت‌ها برای این ادعا چیزی به جز شواهد غیرمستقیم نداشتیم. نتایج تلسکوپ فرمی اما دقیقاً همان چیزی است که ما برای تبدیل یک فرضیه ذهنی به یک نظریه محکم نیاز داشتیم.
این کشف البته منشاء همه پرتوهای کیهانی را توضیح نمی‌دهد. برخی از پرتوهای کیهانی پروتون نیستند. برخی از آن‌ها میون هستند (ذره‌ای شبیه الکترون اما با جرم بسیار بیشتر و عمر بسیار کوتاه‌تر) یا حتی پوزیترون (همان پادذره الکترون، یعنی با جرم مساوی الکترون، با بار الکتریکی مثبت ۱ و از جنس ضدماده) و یک رده از تابش‌های کیهانی، یعنی تابش‌های کیهانی بسیار پرانرژی شاید حتی از خارج کهکشان ما منشاء گرفته باشند.