افشای یک راز صد ساله: پرتوهای کیهانی راه شیری از کجا نشأت می‌گیرد

افشای یک راز صد ساله:

پرتوهای کیهانی راه شیری از کجا نشأت می‌گیرد

شکل 1. تصاویر شماتیک تولید اشعه گاما از پروتونها و الکترونهای اشعه کیهانی. پروتونهای اشعه کیهانی با پروتونهای بین‌ستاره‌ای مانند گاز هیدروژن مولکولی و اتمی در تعامل هستند. این برهمکنش پیون خنثی ایجاد می‌کند که به سرعت به دو فوتون اشعه گاما تجزیه می‌شود (فرایند هادرونیک). الکترونهای اشعه کیهانی فوتونهای بین‌ستاره‌ای (عمدتا زمینه مایکروویو کیهانی؛ CMB) را از طریق پراکندگی معکوس کامپتون (فرایند لپتونیک) به انرژی اشعه گاما وارد می‌کند. اعتبار: آزمایشگاه اخترفیزیک، دانشگاه ناگویا

ستاره‌شناسان برای اولین‌بار موفق به تعیین کمی اجزای پروتون و الکترون پرتوهای کیهانی در یک بقایای ابرنواختر شدند. براساس تجزیه و تحلیل جدید تصویربرداری رادیویی، اشعه ایکس و اشعه گاما، حداقل 70 درصد از پرتوهای گاما با انرژی بسیار زیاد ساطع شده از پرتوهای کیهانی ناشی از پروتونهای نسبیتی هستند. محل شتاب پروتونها، اجزای اصلی پرتوهای کیهانی، یک راز 100 ساله در اخترفیزیک مدرن بوده است، این اولین بار است که میزان پرتوهای کیهانی تولید شده در بقایای ابرنواختر به صورت کمی نشان داده شده است که گامی در جهت روشن شدن منشاء پرتوهای کیهانی می‌باشد.

منشاء پرتوهای کیهانی، ذراتی با بالاترین انرژی در جهان، از زمان کشف آنها در سال 1912 یک راز بزرگ بوده است. از آنجا که پرتوهای کیهانی تکامل شیمیایی ماده بین‌ستاره‌ای را ترویج می‌دهند، درک منشا آنها در درک تکامل کهکشان ما بسیار مهم است. تصور می‌شود که پرتوهای کیهانی توسط بقایای ابرنواختر (آثار پس از انفجارهای ابرنواختری) در کهکشان ما شتاب می‌گیرند و تقریباً با سرعت نور به زمین سفر می‌کنند. پیشرفت‌های اخیر در مشاهدات اشعه گاما نشان داده است که بسیاری از بقایای ابرنواخترها در انرژی‌های ترانس‌الکترون ولت (TeV) اشعه گاما ساطع می‌کنند. اگر پرتوهای گاما توسط پروتون‌ها که جزء اصلی پرتوهای کیهانی هستند، تولید شوند، می‌توان منشأ باقی‌مانده ابرنواختر پرتوهای کیهانی را تأیید کرد. با این حال، پرتوهای گاما نیز توسط الکترونها تولید می‌شوند، لازم است تعیین کنیم که منشأ پروتون یا الکترون غالب است و نسبت دو سهم را اندازه‌گیری کنید (همچنین به شکل 1 مراجعه کنید). نتایج این مطالعه شواهد قانع کننده‌ای از پرتوهای گاما ناشی از جزء پروتون که جزء اصلی پرتوهای کیهانی است، ارائه می‌دهد و روشن می‌کند که پرتوهای کیهانی کهکشانی توسط بقایای ابرنواختر تولید می‌شوند.

اصالت این تحقیق این است که تابش اشعه گاما با ترکیبی خطی از اجزای پروتون و الکترون نشان داده می‌شود. ستاره‌شناسان رابطه‌ای را می‌دانستند که شدت اشعه گاما از پروتون‌ها متناسب با چگالی گاز بین‌ستاره‌ای است که توسط مشاهدات تصویربرداری خط رادیویی بدست می‌آید. از طرف دیگر، انتظار می‌رود که اشعه گامای الکترون‌ها متناسب با شدت اشعه ایکس الکترون‌ها باشد. بنابراین، آنها کل شدت اشعه گاما را به عنوان مجموع دو جزء اشعه گاما، یکی از منبع پروتون و دیگری از منبع الکترون بیان کردند. این امر منجر به درک یکپارچه سه رصد مستقل شد (شکل 2). این روش برای اولین بار در این مطالعه پیشنهاد شد. در نتیجه، نشان داده شد که اشعه گامای پروتونها و الکترونها به ترتیب 70 و 30 درصد از کل اشعه گاما را تشکیل می‌دهند. این اولین بار است که این دو منشأ به صورت کمی تعیین می‌شوند. نتایج همچنین نشان می‌دهد که پرتوهای گاما از پروتون‌ها در مناطق غنی از گاز بین ستاره‌ای غالب هستند، در حالی که پرتوهای گامای الکترونها در منطقه فقیر از گاز افزایش می‌یابد. این امر تأیید می‌کند که این دو مکانیسم با هم کار می‌کنند و از پیش‌بینی‌های مطالعات نظری قبلی حمایت می‌کنند.

شکل 2. نقشه‌های شدت اشعه گاما Ng، چگالی گاز بین ستاره‌ای Np و شدت اشعه X Nx. اعتبار: آزمایشگاه اخترفیزیک، دانشگاه ناگویا

پروفسور مشهور یاسوو فوکویی در دانشگاه ناگویا می‌گوید: “این روش جدید بدون همکاری بین‌المللی محقق نمی‌شد.” او این پروژه را هدایت کرد و توزیع چگالی گاز بین ستاره‌ای را با استفاده از تلسکوپ رادیویی NANTEN و آرایه فشرده تلسکوپ استرالیا از سال 2003 به طور دقیق تعیین کرد. اگرچه در آن زمان وضوح اشعه گاما برای انجام تجزیه و تحلیل کامل کافی نبود، پروفسور گاوین روول و دکتر سابرینا اینیکک از دانشگاه آدلاید و تیم HESS در طول سالها وضوح فضایی و حساسیت اشعه گاما را به طرز چشمگیری بهبود بخشید و امکان مقایسه دقیق آنها با گازهای بین‌ستاره‌ای را فراهم کرد. دکتر هیدتوشی سانو از رصدخانه ملی نجوم ژاپن تجزیه و تحلیل تصویربرداری اشعه ایکس مجموعه داده‌های بایگانی شده از ماهواره اشعه ایکس اروپایی XMM-Newton را هدایت کرد. دکتر اینیکک و پروفسور راول با پروفسور فوکویی و دکتر سانو همکاری نزدیکی کردند تا مطالعات مفصلی را انجام دهند که ارتباط بین اشعه گاما، اشعه ایکس و انتشار رادیویی را مورد بررسی قرار داد. “این روش جدید برای بقایای ابرنواخترها با استفاده از تلسکوپ پرتو گامای نسل بعدی CTA (آرایه تلسکوپ چرنکوف) علاوه بر رصدخانه‌های موجود اعمال خواهد شد که مطالعه منشا پرتوهای کیهانی را بسیار پیش خواهد برد.”

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Unveiling a century-old mystery: Where the Milky Way’s cosmic rays come from

by Nagoya University

https://phys.org/news/2021-08-unveiling-century-old-mystery-milky-cosmic.html