آشنایی پرتوهای کیهانی

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

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.

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 1912/1291 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 150 تا 200 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 1 و از جنس ضدماده) و یک رده از تابش‌های کیهانی، یعنی تابش‌های کیهانی بسیار پرانرژی شاید حتی از خارج کهکشان ما منشاء گرفته باشند.

مطالعه ای كه با استفاده از تلسکوپ فضایی اشعه گاماي فرمی ناسا انجام شده اولین شواهد روشن درباره نقش بقایای ستاره هاي منفجر شده در توليد پرتوهاي كيهاني را دراختيار ما قرار مي دهد.

این مطالعه نشان می دهد که بقایای ابرنواخترها واقعاً پرتوهای کیهانی را به سرعت های باورنکردنی ای می رسانند. این کشف گامي بزرگ درجهت درک منشأ پرتوهای کیهانی است.

پرتوهاي كيهاني ذرات زيراتمي و يكي از سریع ترین مواد در حال حرکت در جهان هستند كه تقريباً با سرعت نور در فضا حركت مي كنند. حدود 90 درصد پرتوهاي كيهاني از پروتون و باقيمانده آن از الكترون و هسته اتمي تشكيل شده اند.

دانشمندان از يك قرن پيش در تلاش بوده اند تا منابع پرتوهاي كيهاني با انرژي بالا را كشف كنند.

اهدات تازه‌ی تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) از بازمانده‌ی ابرنواختری هزارساله سرنخ‌هایی از منشاء پرتوهای کیهانی آشکار کرده است. این مشاهدات برای نخستین بار امکان وجود ذرات پر سرعت در بازمانده‌های ابرنواختری که می‌تواند منشاء پرتوهای کیهانی باشد را مطرح کرده است.

در سال ۱۰۰۶ ستاره‌ی جدید در آسمان نیم‌کره‌ی جنوبی نمایان شد که چند برابر درخشان‌تر از زهره بود. روشنایی این جرم نوظهور به حدی بود که سایه ‌ایجاد می‌کرد و در طی روز در آسمان دیده می‌‍شد. چندی پیش بود که اخترشناسان محل این ابرنواختر را که ابرنواختر ۱۰۰۶ خوانده می‌شود، شناسایی کردند. همچنین حلقه‌ی گسترده شده و درخشان آن را در صورت‌فلکی گرگ به عنوان بازمانده‌ی این انفجار وسیع ثبت کردند.

اخترشناسان مدت زیادی است که به این فرضیه که بازمانده های ابرنواختری ممکن است جایی باشند که برخی از پرتوهای کیهانی –ذراتی بسیار پرانرژی که از خارج از منظومه‌ی شمسی می‌آیند و با سرعتی معادل سرعت نور حرکت می‌کنند – در آن‌جا شکل می‌گیرند، مشکوک بودند. اما تاکنون جزیئات چگونگی آن مدت مدیدی ناشناخته باقی‌مانده بود.

به نقل از وب‌سایت رصدخانه‌ی جنوبی اروپا، گروهی از اخترشناسان به سرپرستی Sladjana Nikolić از موسسه‌ی مکس پانک در آلمان از ابراز VIMOS در تلسکوپ بسیار بزرگ استفاده کردند و بازمانده‌ی ابرنوختر ۱۰۰۶ را با جزئیات خیلی بیشتری نسبت به قبل رصد کردند. آن‌ها می‌خواستند بدانند که آن‌جا چه اتفاقی می‌افتد که مواد پرسرعت از ابرنواختر ساطع می‌شود و به ماده‌ی میان‌ستاره‌ای نفود می‌کند . این ضربه‌ی پرسرعت گسترده شبیه به غرش صوتی یک هواپیما فرا صوت می‌ماند و که کاندید طبیعی ذرات کیهانی شتاب‌دهنده است.

برای نخستین‌بار این گروه نه فقط اطلاعاتی درباره‌ی مواد این ضربه در یک نقطه پیدا کردند، بلکه نقشه‎ای از خصوصیات گاز آن و این که چگونه این خصوصیات در مقابل این ضربه تغییر می‌کنند، به دست آوردند. این کار سرنرخی از این راز به آن‌ها داد. نتایج تعجب‌آور بود- آن‌ها دریافتند که پروتون‌های محرک پرسرعتی در این گازو ناحیه‌ی ضربه وجود دارند. از آن‌جایی که آن‎ها خودشان پرتوهای کیهانی نیستند ولی می‌توانند بذر حیاتی این ذرات باشند که پس از تعامل ضربه با مواد مقابلش، انرژی بالای موردنیاز برای سفر به فضا به عنوان یک پرتو کیهانی را به دست می‌آورند. در این مطالعه‌ برای نخستین بار از یک طیف‌سنج بی‌نقص برای کاوش خصوصیات این ضربه از بازمانده‌‌های ابرنواختری با جزیئات استفاده شد.

اکنون این گروه مشتاق‌اند تا این روش را برای سایر بازمانده‌های ابرنوختری نیز به‌کار ببرند. این دست رصدها کلیدی برای حل معمای چگونگی تولید این پرتوهای کیهانی در بازمانده‌ی ابرنواختری به شمار می‌رود.

انواع ریزش های کیهانی

1) ریزش های هادرونیک (Hadronic Cascades):

این ریزش ها بیشتر از ذراتی مانند پروتون ها تشکیل شده اند و پرتوزایی خود آنها باعث تجزیه ی آنها بر فراز جو می شود.

می توانیم این عمل متقابل را به صورت زیر نیز بنویسیم:

Cosmic Ray (CR) + Atmospheric Nuclei (A CR’ + AN’ + n + m + other mesons

که در این معادله CR’ باقیمانده ی اصلی پرتوهای کیهانی می باشد که می تواند باعث ایجاد واکنش های بیشتری با هسته های اتمسفری شود.

اگر اصل پرتوهای کیهانی انرژی کافی را داشته باشند حتی پرتوها می توانند به سطح زمین نیز برسند.

AN’ باقیمانده ی هسته های اتمسفری می باشد که دارای انرژی بالایی هستند.

همچنین مقدار تولیدی ار تجزیه ی هسته ها نیز همان (مزون ها) می باشند که می توانند در دنباله ی مادون تولید مزونی پرتوزا کنند.

پرتوزایی در دو مرحله از انرژی پرتوهای گاما می تواند سرچشمه ی جز اصلی الکترومغناطیس ریزش باشد زیرا از این به بعد الکترون ها و پرتوهای گامای تولید شده می توانند دارای جز اصلی ساخته شده از الکترون ها و یا گاماهایی باشند که در پدیده یبزامشتراهلونگ (Bremsstrahlung) {تابش ترمزی} یا در ترکیب دوتایی تولید شده اند.

شکل: مدل هندسی پرتوزایی تشعشعات چرنکوف برای اشعه ی گاما و ریزش هادرونیک

همچنین فرآیندی که در آن این مادون ریزش ها توسعه می یابند (مانند فرآیند الکترومغناطیس) خالص است.

ریزش های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Cascades):

ریزش های الکترومغناطیس هنگامیکه انرژی ها در این فرآیند سهیم باشند (بر فراز اتمسفر) پرتوهای گاما را در جو غوطه ور می کنند.

در واقع این پدیده ها تولید ترکیبی همان اثرات غالب (Dominant Effect) هستند که البته این تنها در مورد ریزشهای پهناور جوی (Extensive Air Showers) صادق است. (این نوع از ریزش ها را در بخش بعدی بررسی می کنیم).
فرآیند تولید ترکیبی در زمینه ای از هسته های اتمسفری و یا الکترون ها به منظور حفظ نیروی حرکت صورت می گیرد.
طی این فرآیند یک فوتون با انرژی بالا (حداقل 1.022 مگا الکترون ولت) در ماده به یک جفت الکترون – پوزیترون تبدیل می شود.
اگر انرژی کافی باشد جفت الکترون نهایی انرژی خود را به سرعت بوسیله ی واکنش یونی از دست نخواهد داد. در مقابل یک الکترون در زمینه ای از ذرات بنیادین هسته می تواند اشعه ی گامای ثانویه را تولید کند. این تولید همان اثر بزامشتراهلونگ نامیده می شود.
این اشعه ی گاما (اگر انرژی هنوز از 1.022 مگا الکترون ولت بیشتر باشد) می تواند جفت الکترونی دیگری را تولید کند که آنها می توانند واکنش های بزامشتراهلونگ بیشتری را تحمل کنند.
که در نهایت نتیجه ی آن یک ریزش فوتونی – الکترونی و پوزیترونی خواهد بود که می توانند در مسیر قبلی حرکت اشعه های گاما حرکت کرده و در انرژی کل سهیم باشند.
3) ریزش های فراگیر جوی (Extensive Air Showers [EAS]):
ریزش های فراگیر جوی تا قبل از واضح شدن ابهامات در مورد پرتوهای کیهانی در سال 1927 وجود نداشت.
همچنین تمامی فرضیه ها در مقابل توضیح پرتوهای کیهانی به صورت فوتونیک (با قالب نوری) از خواص ذره ای دفاع می کردند.
اما امروزه با درک کامل پرتوهای کیهانی توانسته ایم منشا تمام ذرات و پرتوهای پر انرژی را که از فضای خارجی وارد زمین می شوند بفهمیم.
در حقیقیت پرتوهای کیهانی از هسته ی اتم (96 درصد هیدروژن – 3 درصد هلیم – 1 درصد کربن – نیتروژن – اکسیژن – فلئور) + پرتوهای گاما – الکترون ها – پوزیترون ها – نوترینو ها و انواع دیگر ذرات بنیادی تشکیل شده اند.
پرتوهای کیهانی تا قبل از اینکه به زمین برسند از منابع پرتوزا نشات می گیرند که البته بعضی از مواد متشکل آنها طی فرآیند گذر از کهشکان ها به دلیل انجام واکنش های میان ستاره ای (از قبیل: تجزیه و یونیزه شدن) بوجود می آیند.
در واقع مواد متشکل نام برده چیزی است که به زمین می رسد. به همین دلیل ترکیب اصلی دیگری را برای پرتوهای کیهانی پیش بینی می کنیم.
اصولا همین ترکیبات نیز هنگامیکه به اتمسفر زمین می رسند طی واکنش هایی با هسته های تشکیل دهنده ی اتمسفر به ذرات ثانویه ای تبدیل می شوند که ریزش های فراگیر جوی نام دارند.

17. ذرات اولیه ی EASدر لایه های فوقانی جو بیشتر تشکیل شده از هسته های اتمی – فوتون ها و پرتوهای آلفا هستند. (به صورت مقداری از هسته های سنگین کمتر هستند).

18. توزیع اینگونه از وقایع ترکیبی هستند و طیف ها خبر از انرژی بالای 10^20الکترون ولت می دهند که این مقدار برای پرتوهای آلفا زیاد است.

بنابراین شاید به صورت تقریبی این دسته از فرایندها را بتوان دنباله روی قانون سلطه (Potency Law) دانست.
این طیف ها را می توان به پرتوهای گاما ربط داد:
E
که در آن γ تقریبا 2.6 است.
هیچ کدام از این ذرات پر انرژی به زمین نمی رسند و تنها از این فرآیند مقدار کمی پرتوی گاما (1 از 1000) به صورت EASدر جو تولید می شود.
4) پرتوهای چرنکوفدر EAS:
برای انرژی های اولیه (کمتر از 20 ترا الکترون ولت) ریزش های هادرونیک در لایه های فوقانی اتمسفر نابود می شود اما پرتوهای چرنکوف توسط بارهایی که به ارتفاعات سطحی زمین نفوذ می کنند تولید می شوند.
اگرچه حرکت موجی این جریانات در نقطه ی نشات آنها و گسترش بعد از آن پرتوهای چرنکوف را دوباره به نقطه ی ابتدایی آنها (محل پرتوهای گامای ابتدایی در کره ی سماوی) بر می گرداند.
در ریزش های الکترومغناطیسی الکترون ها و پوزیترون ها اعضای تشکیل دهنده ی پرتوهای چرنکوف هستند.
این موضوع هنگامی درست است که انرژی ذرات از مقدار Minآستانه ی فراتر رود. (همانطور که معادله ی 1.9 نشان می دهد).
این نهایت (آستانه) برابر با 21 مگا الکترون ولت در هنگام رصد می باشد که در ارتفاع 7.5 کیلومتری از سطح دریا یه 35 مگا الکترون ولت افزایش می یابد. علت این تغییر در اختلاف بین سرعت آستانه ی پرتوهای چرنکوف است که طی واکنش های تجزیه ای در اتمسفر ایجاد می شود.
بر مبنای همین نوع از واکنش های تجزیه مقدار را تخمین بزنیم.
می دانیم که سرعت نور در میانه ی مشخص از رابطه ی زیر بدست می آید:
(1.7)
که در آن Cسرعت نور در خلا و n شاخص تجزیه در ارتفاع اتمسفری داده شده (H) است.
آنگاه می توانیم را به شکل زیر بنویسیم. ( انرژی ذره ای نسبیتی (Relativistic Particle)است که با سرعتی معین حرکت می کند:
(1.8)
بنابراین اگر بنویسیم n = 1 + δو آنگاه برابر با خواهد بود. که از آن خواهیم داشت:
(1.9)
حال می توانیم بهتر پرتوهای چرنکوف را در EASبررسی و مطالعه کنیم. این کار می توان به دو صورت 1) بررسی گسترش طولی و یا 2) بررسی پراکندگی جانبی ریزش های ذره ای ادامه داد.
گسترش طولی این ریزش ها به معنای توزیع در نقطه ی گسیل فوتون های چرنکوف می باشد.
از شکل زیر می توان به آسانی دید که ریزش ها می توانند بعد از تیرگی (Blur) به Maxخود برسند:
شکل (1.5): شبیه سازی مونته کارلو (Monte Carlo) در مورد توزیع طولی ریزش الکترومغناطیسی 1Tev
در سوی دیگر توزیع جانبی یک EAS(شکل1.6) در مورد پرتوهای چرنکوف در واقع همان بررسی نقطه ی ساتع کننده ی پرتوهای چرنکوف در سطح عمود به قطب ریزش است.
بنابراین می بینیم که توزیع جانبی اینگونه حساس به گسترش طولی ریزش رفتار می کند.
در اصول توزیع جانبی می توان گفت که شیب توزیع جانبی مرتبط به ریزش است که می تواند در دیدگان رصدگران چنین گسترش یابد.
هنگامیکه ریزش ها به شدت در اتمسفر گسترش می یابند پدیداری توزیع را بیشتر نمایان می سازند که به این مدل خاص حلقه ی چرنکوف (Cherenkov Ring) می گویند.

پرتوهای گامای القا شده به ریزش یک توزیع جانبی و سطحی نسبیتی نور را در خارج 125 متری فاصله ی شعاعی از مرکز نشان می دهد.

ردیابی پرتوهای کیهانی با گوشی هوشمند!

بیگ بنگ: محققان دانشگاه ویسکانسن مدیسن آمریکا نرم افزاری تولید کردند که گوشی هوشمند را به یک آشکارساز اشعه کیهانی تبدیل می‌کند.

به گزارش ایرنا، بر خلاف آشکارسازهای عظیم و چندین میلیون دلاری موجود در آزمایشگاه ها، امکان تبدیل گوشی هوشمند را به یک آشکارساز جیبی ذرات اشعه کیهانی فراهم می کند. برای این کار کافی است دو برنامه به نام های DECO و data logger را نصب کرده و روی لنز دوربین گوشی را با تکه ای چسب نواری بپوشانید تا از خروج ذرات نور از آن جلوگیری کنید.

سازندگان این برنامه معتقدند که با انجام این کار، گوشی تلفن همراه به یک آشکارساز ذرات پرانرژی تبدیل می شود که در آن از همان اصولی استفاده شده که در آشکار سازهای غول پیکر استفاده می شود. تشعشعات کیهانی هنوز هم یکی از اسرار ناشناخته فضا هستند. حجم زیادی از این تشعشعات در فضای اطراف ما وجود دارد و متخصصان علم نجوم معتقدند، این تشعشعات حاصل نیروهای عظیم کیهانی مانند سیاهچاله ها و طوفان های فضایی هستند.

امواج اشعه کیهانی در برخورد با جو زمین دچار شکست می شود. زمانی که این اشعه به سطح زمین می رسد، حجم زیادی از ذرات پرانرژی آزاد می شود که اغلب پروتون هستند. اما معمولا انواع مختلفی از ذرات زیر اتمی شامل الکترون ها و ذرات سنگینی متشکل از نوترون و پروتون در بین آن ها وجود دارد. برخی از محققان معتقدند این ذرات می توانند اسرار زیادی را درباره ماده سیاه افشا کنند. ماده تاریک در حدود ۲۷ درصد از جهان را تشکیل می دهد. یکی از ذرات موجود در اشعه کیهانی، ذره ای موسوم به ‘موآن’ است. برنامه DECO با استفاده از تراشه های سیلیکونی موجود در دوربین گوشی های تلفن همراه، توانایی تشخیص این ذره را دارد.

دوربین های دیجیتالی از طریق ثبت ذرات نوری که به آن ها برخورد می کنند، تصویر محیط را ضبط می کنند. اما ذرات موآن در زمان برخورد به سیلیکون، یک سیگنال الکتریکی تولید می کنند. این سیگنال به شکل یک اثر پیکسلی در دوربین بر جای می ماند. برنامه DECO به گونه ای طراحی شده است که در هرچند ثانیه، یک تصویر از دوربین تهیه کرده و آن را برای یافتن هرگونه اثر پیکسلی، اسکن می کند. در صورت یافتن اثر پیکسلی، تصویر ذخیره و توسط برنامه data logger ثبت می شود. ذرات موآن تعامل چندانی با محیط اطراف ندارند و می توانند از دیوارها و سقف خانه ها عبور کنند. بنابراین یک گوشی تلفن همراه مجهز به DECO در هر جایی قادر است اشعه کیهانی را شناسایی کند.

برنامه های تلفن همراه در مقایسه با آشکار سازهای بزرگ و توانمند، از دقت و حساسیت کافی برخوردار نیستند. اما DECO کاربردهای آموزشی زیادی دارد. درحال حاضر برنامه های لازم برای تبدیل گوشی تلفن به یک آشکارساز، فقط برای سیستم عامل اندروید در دسترس هستند. مهمترین کاربرد این دستاورد، حفظ سلامتی فضانوردان است.

جمع آوری کننده مطلب: دبیر محترم درس فیزیک؛ سرکار خانم عسگری

تایید کننده مطلب: مدیریت محترم آموزشگاه؛ سرکار خانم بیات