برای دهه‌ها، دانشمندان در تلاش بودند تا منبع جریان‌های مرموز پرتوهای کیهانی را بیابند که با سرعتی نزدیک به نور در سراسر کیهان حرکت می‌کنند. این ذرات بیش از یک قرن است که در زمین شناسایی می‌شوند، اما خاستگاه واقعی آن‌ها همچنان در هاله‌ای از ابهام بود.
نظریه‌های اولیه درباره منشأ پرتوهای کیهانی
کارشناسان مدت‌ها گمان می‌کردند که بقایای ابرنواخترها، سیاه‌چاله‌ها یا مناطق شکل‌گیری ستارگان می‌توانند منبع این ذرات پرانرژی باشند. اکنون با تحلیل یک منبع پرتو ایکس جدید، گام بزرگی برای تأیید این نظریه‌ها برداشته شده است.
پرتوهای کیهانی چیستند؟
ماهیت پرتوهای کیهانی
پرتوهای کیهانی کهکشانی، ذراتی با انرژی بسیار بالا هستند که از منابع درون کهکشان راه شیری ما منشأ می‌گیرند. بیشتر آن‌ها از پروتون تشکیل شده‌اند، اما مقادیری از هسته‌های سنگین‌تر و الکترون‌ها نیز در آن‌ها وجود دارد.
مسیر پر پیچ‌وخم در فضا
پس از ورود به فضا، این ذرات از میان محیط میان‌ستاره‌ای عبور کرده، با اتم‌ها و میدان‌های مغناطیسی برخورد می‌کنند. این مسیر آشفته باعث می‌شود مسیر حرکت آن‌ها تغییر کرده و شناسایی منبع اولیه دشوار شود.
اثرات روی زمین
پرتوهای کیهانی پس از ورود به منظومه شمسی با باد خورشیدی و میدان مغناطیسی خورشید برخورد می‌کنند که ممکن است مسیرشان را منحرف یا آن‌ها را کند کند. میدان مغناطیسی زمین و جو نیز لایه‌ای از محافظت ایجاد می‌کنند، اما برخی از ذرات پرانرژی همچنان به جو بالایی نفوذ کرده و باعث تولید ذرات ثانویه می‌شوند.
ردیابی منبع پرتوهای ایکس مرتبط با پرتوهای کیهانی
کشف جدید تیم دانشگاه ایالتی میشیگان
شوا ژانگ و همکارانش از دانشگاه ایالتی میشیگان، از داده‌های تلسکوپ‌های مختلف برای مطالعه این موضوع استفاده کردند. آن‌ها یک سحابی باد تپ‌اختری (pulsar wind nebula) غیرمعمول را شناسایی کردند که می‌تواند محل تولید برخی از این پرتوهای پرانرژی باشد.
مشاهدات تلسکوپ XMM-Newton
یکی از بخش‌های تحقیق، بررسی داده‌های تلسکوپ فضایی XMM-Newton بود که ساختاری درخشان را نشان داد. این ساختار بیانگر آن است که الکترون‌ها و ذرات کوچک دیگر ممکن است با سرعت‌هایی بیشتر از آنچه در آزمایشگاه‌های زمینی ممکن است، شتاب بگیرند.
نقش سحابی در شتاب‌دهی به ذرات کیهانی
سحابی باد تپ‌اختری
بر اساس مشاهدات پرتو ایکس، تیم تحقیقاتی سحابی‌ای را شناسایی کرد که توسط یک تپ‌اختر سریع‌الچرخ هدایت می‌شود. این ساختار، الگویی مشابه با دیگر منابع شناخته‌شده ذرات فوق‌العاده پرانرژی دارد.
انتشار ذرات در فضا
تجزیه‌وتحلیل شدت و شکل پرتوهای ایکس نشان داد که این سحابی نامتقارن است و در یک جهت بیشتر کشیده شده است. این پراکندگی غیر یکنواخت نشان می‌دهد که تپ‌اختر به‌طور فعال انرژی را به فضا می‌فرستد و ذرات را با سرعت‌های بسیار بالا پرتاب می‌کند.
چرا نوترینوها اهمیت دارند؟
شوا ژانگ می‌گوید: «پرتوهای کیهانی برای زندگی روی زمین بسیار مهم‌تر از آن چیزی هستند که تصور می‌شود. در هر ثانیه حدود ۱۰۰ تریلیون نوترینوی کیهانی از منابع بسیار دور مانند سیاه‌چاله‌ها از بدن شما عبور می‌کنند.»
نوترینوها تقریباً بدون جرم هستند و از بیشتر موانع عبور می‌کنند، بنابراین می‌توانند از اعماق فضا بدون از دست دادن انرژی زیاد به زمین برسند. مشاهده آن‌ها می‌تواند نشانه‌ای از رویدادهای اخترفیزیکی قدرتمند باشد.
کشف منبع پنهان پرتوهای کیهانی
تیم ژانگ دو مقاله منتشر کرد که منابع احتمالی مرتبط با این ذرات باردار را بررسی می‌کرد. در یکی از آن‌ها، داده‌های پرتو ایکس نشان داد که یک سحابی پنهان، ناشی از بقایای ستاره‌ای سریع‌الچرخ است و ذرات را تا سطح انرژی بسیار بالا تقویت می‌کند.
تصویری از نقشه نرخ ترکیبی XMM-EPIC MOS1 و MOS2 نیز جزئیات نواحی مختلف از جمله منبع اصلی، ناحیه پس‌زمینه، و منابع نقطه‌ای ثانویه را به نمایش گذاشت.
در مقاله دوم، سه دانشجوی کارشناسی از داده‌های بیشتر تلسکوپ‌های فضایی استفاده کردند تا منابع دیگر پرتوهای کیهانی را بررسی کنند. محاسبات آن‌ها، محدودیت‌هایی را تعیین کرد که به هدایت مأموریت‌های آینده در مسیرهای امیدبخش کمک خواهد کرد.
فهرست‌برداری از منشأ پرتوهای کیهانی
ژانگ گفت: «با شناسایی و طبقه‌بندی منابع پرتوهای کیهانی، تلاش ما می‌تواند منجر به ایجاد یک فهرست جامع از منابع این پرتوها شود.»
این فهرست می‌تواند پایه‌ای برای تحقیقات عمیق‌تر درباره مکانیزم‌های شتاب‌دهی ذرات در رصدخانه‌های نوترینو و تلسکوپ‌های سنتی باشد. همچنین به درک نقش رویدادهای مختلف کهکشانی در تولید ذرات پرانرژی کمک خواهد کرد.
اهمیت فراتر از نجوم
این تحقیق صرفاً برای مطالعه ستارگان نیست؛ بلکه تأثیرات عملی نیز دارد. پرتوهای کیهانی می‌توانند بر فناوری ماهواره‌ای، ایمنی پرواز، و عملکرد تجهیزات الکترونیکی در طوفان‌های خورشیدی اثر بگذارند.
دانستن منشأ این ذرات می‌تواند مدل‌سازی بهتری برای تابش‌های فضایی در سفرهای فضایی و پروازهای ارتفاع‌بالا فراهم کند. در مأموریت‌های آینده به ماه، مریخ و فراتر از آن، آگاهی از منبع ذرات پرانرژی یک ضرورت ایمنی است.
تربیت نسل بعدی دانشمندان
این پروژه تنها گامی در جهت شناخت پرتوهای کیهانی نبود، بلکه فرصتی واقعی برای دانشجویان فراهم کرد تا در داده‌کاوی‌های فضایی مشارکت کنند. آن‌ها با استفاده از داده‌های تلسکوپ Swift ناسا، معیارهای مهمی را برای تحقیقات آینده تعریف کردند.
تیم ژانگ با مشارکت دانشجویان در خط مقدم تحقیقات اخترفیزیک، در حال پرورش نسل جدیدی از دانشمندان است که توانایی حل پرسش‌های پیچیده کیهانی را دارند.
همکاری میان اخترشناسی و فیزیک ذرات
ژانگ تأکید کرد: «این پروژه به همکاری بین فیزیک‌دانان ذرات و منجمان نیاز دارد و برای گروه فیزیک پرانرژی دانشگاه MSU بسیار ایده‌آل است.» وی افزود که حوزه‌های مختلف علمی می‌توانند از این یافته‌ها بهره‌مند شوند.
گام بعدی شامل ترکیب داده‌های بیشتر از رصدخانه‌هایی مانند IceCube با تلسکوپ‌های پرتو ایکس و گاما خواهد بود تا تفاوت منابعی که نوترینو آزاد می‌کنند با آن‌هایی که فقط پروتون و الکترون تولید می‌کنند، مشخص شود.
جمع‌بندی
تحقیقات تازه نشان می‌دهد که منشأ پرتوهای کیهانی می‌تواند در سحابی‌های باد تپ‌اختری پنهان شده باشد؛ ساختارهایی که بقایای ستاره‌ای با سرعت چرخش بالا در آن‌ها نقش حیاتی دارند.
این یافته‌ها مسیر جدیدی برای درک نحوه تولید و پخش ذرات پرانرژی در کیهان فراهم می‌کند و می‌تواند تأثیرات مهمی در نجوم، فیزیک، هوافضا، و ایمنی فضانوردان داشته باشد.
این مطالعه در نشریه The Astrophysical Journal منتشر شده است.
