حقوق الصورة: ناسا
يعتقد الفلكيون أن انفجارات أشعة جاما ، وهي أقوى الانفجارات في الكون ، قد تولد أشعة كونية ذات طاقة عالية جدًا ، وهي أكثر الجسيمات نشاطًا في الكون. أظهرت الأدلة التي تم جمعها من قبل مرصد كومبتون لأشعة غاما المدار من وكالة ناسا أنه في حالة واحدة من انفجار أشعة غاما ، هيمنت هذه الجسيمات عالية الطاقة على المنطقة مما يوفر اتصالًا بينها ، ولكن هذا بالكاد دليل كافٍ للقول إنها مرتبطة بشكل قاطع .
أقوى الانفجارات في الكون ، انفجارات أشعة غاما ، قد تولد الجسيمات الأكثر نشاطًا في الكون ، والمعروفة باسم الأشعة الكونية ذات الطاقة الفائقة (UHECRs) ، وفقًا لتحليل جديد للملاحظات من مرصد كومبتون لأشعة غاما التابع لناسا.
تقرير الباحثين في طبعة 14 أغسطس من طبيعة نمط تم تحديده حديثًا في الضوء من هذه الاندفاعات الغامضة التي يمكن تفسيرها بواسطة البروتونات التي تتحرك داخل اتساع الشعر بسرعة الضوء.
يمكن أن تكون هذه البروتونات ، مثل شظايا انفجار ، UHECRs. مثل هذه الأشعة الكونية نادرة وتشكل لغزًا دائمًا في الفيزياء الفلكية ، وتتحدى التفسير المادي على ما يبدو ، لأنها ببساطة أكثر نشاطًا من أن يتم إنشاؤها بواسطة آليات معروفة مثل انفجارات السوبرنوفا.
وقالت المؤلف الرئيسي ماريا ماجدالينا جونزاليز من مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو وطالب الدراسات العليا في جامعة ويسكونسن "الأشعة الكونية" تنسى "من أين أتت لأنها ، على عكس الضوء ، تُجلد في الفضاء بواسطة المجالات المغناطيسية." "هذه النتيجة هي فرصة مثيرة لرؤية ربما أدلة على إنتاجها في مصدرها."
إن انفجارات أشعة جاما - وهي بداية لغز غامض بدأ العلماء في الكشف عنه - يمكن أن تتألق ببراعة مثل مليون تريليون شمس ، وقد يكون الكثير من نوع قوي غير عادي من النجوم المتفجرة. إن الانفجارات شائعة لكنها عشوائية وعابرة ، وتستمر ثوانٍ فقط.
الأشعة الكونية هي جسيمات ذرية (على سبيل المثال ، الإلكترونات أو البروتونات أو النيوترينوات) تقترب من سرعة الضوء. تقصف الأشعة الكونية منخفضة الطاقة الأرض باستمرار ، مدفوعة بالشعلات الشمسية والانفجارات النجمية النموذجية. إن UHECRs ، مع كل جزيء ذري يحمل طاقة كرة البيسبول التي يتم رميها في الدوريات الرئيسية ، أكثر نشاطًا بمائة مليون مرة من الجسيمات المنتجة في أكبر مسرعات الجسيمات من صنع الإنسان.
يقول العلماء أنه يجب توليد UHECRs قريبًا نسبيًا من الأرض ، لأن أي جسيم يسافر أبعد من 100 مليون سنة ضوئية سيفقد بعضًا من طاقته بحلول الوقت الذي وصل إلينا. ومع ذلك ، لا يوجد مصدر محلي للأشعة الكونية العادية يبدو قويًا بما يكفي لتوليد UHECR.
لا تركز الورقة التي يقودها غونزاليس على وجه التحديد على إنتاج UHECR ولكن بالأحرى نمط جديد من الضوء يظهر في انفجار أشعة غاما. عند البحث عميقًا في أرشيفات مرصد كومبتون (انتهت المهمة في عام 2000) ، وجدت المجموعة أن انفجار أشعة جاما من عام 1994 ، المسمى GRB941017 ، يبدو مختلفًا عن 2700 أخرى - بعض الرشقات المسجلة بواسطة هذه المركبة الفضائية. كان هذا الانفجار في اتجاه كوكبة Sagitta ، Arrow ، على الأرجح على بعد عشرة مليارات سنة ضوئية.
ما يسميه العلماء أشعة جاما هي الفوتونات (جزيئات الضوء) التي تغطي مجموعة واسعة من الطاقات ، في الواقع ، أكثر من مليون مرة من الطاقات التي تسجلها أعيننا كألوان قوس قزح. نظرت مجموعة غونزاليس إلى فوتونات أشعة غاما ذات الطاقة العالية. وجد العلماء أن هذه الأنواع من الفوتونات هيمنت على الاندفاع: كانت أقوى ثلاث مرات على الأقل في المتوسط من مكون الطاقة الأقل حتى الآن ، بشكل مدهش ، أقوى آلاف المرات بعد حوالي 100 ثانية.
أي أنه بينما بدأ تدفق الفوتونات المنخفضة الطاقة التي تضرب كاشفات القمر الصناعي في التراجع ، ظل تدفق الفوتونات ذات الطاقة الأعلى ثابتًا. لا تتفق النتائج مع "نموذج الصدمة السنكروتروني" الشعبي الذي يصف معظم الاندفاعات. إذن ما الذي يمكن أن يفسر هذا التخصيب للفوتونات ذات الطاقة الأعلى؟
قالت الدكتورة بريندا دينجوس من LANL ، وهي مؤلفة مشاركة في البحث على الورقة: "أحد التفسيرات هو أن الأشعة الكونية ذات الطاقة الفائقة هي المسؤولة ، ولكن كيف بالضبط تخلق أشعة جاما مع أنماط الطاقة التي رأيناها تحتاج إلى الكثير من الحساب". "سنبقي بعض المنظرين مشغولين بمحاولة اكتشاف ذلك."
قال المؤلف المشارك للدكتور تشارلز ديرمر إن الحقن المتأخر لإلكترونات الطاقة الفائقة يوفر طريقة أخرى لشرح تدفق أشعة جاما عالي الطاقة بشكل غير متوقع لوحظ في GRB 941017. لكن هذا التفسير يتطلب مراجعة نموذج الاندفاع القياسي. عالم فيزياء فلكية نظري في مختبر البحوث البحرية الأمريكية في واشنطن. وقال "في كلتا الحالتين ، تكشف هذه النتيجة عن عملية جديدة تحدث في انفجارات أشعة غاما".
لم يتم الكشف عن انفجارات أشعة غاما التي نشأت في غضون 100 مليون سنة ضوئية من الأرض ، ولكن من خلال الدهور ربما تكون هذه الأنواع من الانفجارات قد حدثت محليًا. قال دينجوس ، إذا كان الأمر كذلك ، فإن الآلية التي شاهدتها مجموعتها في GRB 941017 يمكن أن تتكرر بالقرب من المنزل ، قريبة بما يكفي لتزويد UHECRs التي نراها اليوم.
قد تكون دفعات أخرى في أرشيف مرصد كومبتون قد أظهرت نمطًا مشابهًا ، لكن البيانات ليست قاطعة. من المقرر إطلاقها في عام 2006 ، سيكون التلسكوب الفضائي للمساحة الكبيرة (GLAST) التابع لوكالة ناسا ، والذي من المقرر إطلاقه في عام 2006 ، مزودًا بكاشفات قوية بما يكفي لحل فوتونات أشعة غاما ذات الطاقة العالية وحل هذا اللغز.
يشمل المؤلفون المشاركون في تقرير الطبيعة أيضًا دكتوراه. طالب الدراسات العليا يوكي كانيكو ، والدكتور روبرت بريس ، والدكتور مايكل بريجز من جامعة ألاباما في هانتسفيل. تم تمويل هذا البحث من قبل وكالة ناسا ومكتب البحوث البحرية.
لوحظت UHECRs عندما تصطدم بغلافنا الجوي ، كما هو موضح في الشكل. تنتج الطاقة الناتجة عن الاصطدام دشًا هوائيًا لمليارات الجسيمات دون الذرية ومضات من الأشعة فوق البنفسجية ، والتي يتم الكشف عنها بواسطة أدوات خاصة.
قامت مؤسسة العلوم الوطنية والمتعاونون الدوليون برعاية أدوات على الأرض ، مثل عين الذبابة عالية الدقة في يوتا (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) ومرصد أوجير في الأرجنتين (http: / /www.auger.org/). بالإضافة إلى ذلك ، تعمل وكالة ناسا مع وكالة الفضاء الأوروبية لوضع مرصد الفضاء المتطرف (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) في محطة الفضاء الدولية. ستبدو مهمة OWL المقترحة ، من المدار ، إلى أسفل نحو الاستحمام الجوي ، مع رؤية منطقة كبيرة مثل ولاية تكساس.
يسجل هؤلاء العلماء الومضات ويجرون تعدادًا للشظايا تحت الذرية ، ويعملون للخلف لحساب مقدار الطاقة التي يحتاجها جسيم واحد لصنع الشلال الجوي. يصلون إلى رقم صادم يبلغ 10 ^ 20 فولت إلكترون (eV) أو أكثر. (للمقارنة ، الطاقة في جزيء الضوء الأصفر هي 2 eV ، والإلكترونات في أنبوب التلفزيون الخاص بك في نطاق الطاقة ألف إلكترون فولت.)
تختبر هذه الجسيمات ذات الطاقة العالية التأثيرات الغريبة التي تنبأت بها نظرية النسبية لأينشتاين. إذا تمكنا من ملاحظتهم وهم قادمون من زاوية نائية من الكون ، لنقل مائة مليون سنة ضوئية ، علينا أن نتحلى بالصبر - سيستغرق إكمال الرحلة مائة مليون سنة. ومع ذلك ، إذا تمكنا من السفر مع الجسيمات ، فإن الرحلة تنتهي في أقل من يوم بسبب تمدد وقت الأجسام المتحركة بسرعة كما يقاسها أحد المراقبين.
لا يمكن لأشعة الأشعة الكونية الأعلى الوصول إلينا حتى إذا تم إنتاجها من مصادر بعيدة ، لأنها تتصادم وتفقد الطاقة بفوتونات الميكروويف الكونية المتبقية من الانفجار الكبير. يجب أن تكون مصادر هذه الأشعة الكونية قريبة نسبيًا منا ، على مسافة عدة مئات من ملايين السنين الضوئية. توجد النجوم التي تنفجر مع انفجارات أشعة غاما ضمن هذه المسافة ، لذلك تبذل جهود رصد مكثفة للعثور على بقايا أشعة غاما المتميزة بهالات الإشعاع التي تنتجها الأشعة الكونية.
تمتلك أنواع قليلة من الأجرام السماوية الظروف القاسية المطلوبة لتفجير الجسيمات بسرعات UHECR. إذا كانت رشقات أشعة غاما تنتج UHECRs ، فمن المحتمل أن تفعل ذلك عن طريق تسريع الجسيمات في النفث من المواد المنبعثة من الانفجار بالقرب من سرعة الضوء. إن انفجارات أشعة غاما لديها القدرة على تسريع UHECRs ، لكن انفجارات أشعة غاما التي لوحظت حتى الآن كانت بعيدة ، على بعد مليارات السنين الضوئية. هذا لا يعني أنها لا يمكن أن تحدث في مكان قريب ، ضمن مسافة قطع UHECR.
يعد نموذج المستعر الأعظم / اللولب أحد المنافسين الرائدين لأنواع تدفقات أشعة جاما طويلة العمر مثل GRB941017. تحدث المستعرات الأعظمية عندما يستنفد نجم أكبر من الشمس عدة مرات وقوده ، مما يتسبب في انهيار قلبه تحت جاذبيته بينما تنفجر طبقاته الخارجية في انفجار نووي حراري هائل. اللفائف هي نوع خاص من المستعرات الأعظمية حيث يكون اللب ضخمًا جدًا بحيث ينهار في ثقب أسود ، وهو جسم كثيف للغاية بحيث لا شيء ، ولا حتى الضوء ، يمكنه الهروب من جاذبيته في أفق حدث الثقب الأسود. ومع ذلك ، تشير الملاحظات إلى أن الثقوب السوداء هي أكلة قذرة ، وتطرد المواد التي تمر بالقرب من آفاق الحدث ، ولكنها لا تعبرها.
في اللفائف ، يشكل قلب النجم قرصًا من المواد حول الثقب الأسود المشكل حديثًا ، مثل المياه التي تدور حول المصرف. يستهلك الثقب الأسود معظم القرص ، لكن بعض المواد تنفجر في الطائرات من أعمدة الثقب الأسود. تمزق الطائرات من خلال النجم المنهار على مقربة من سرعة الضوء ، ثم تخترق الغاز المحيط بالنجم المنكوب. عندما تحطم الطائرات في الوسط النجمي ، فإنها تخلق موجات صدمة وتبطئ. تتشكل الصدمات الداخلية أيضًا في الطائرات حيث تتباطأ حوافها الرائدة وتتدفق من الخلف بسبب تدفق مادة عالية السرعة. تسرع الصدمات الجسيمات التي تولد أشعة جاما ؛ يمكنهم أيضًا تسريع الجسيمات إلى سرعات UHECR ، وفقًا للفريق.
قال دينجوس: "الأمر أشبه برد الكرة بين مضرب وطاولة". "عند تحريك المضرب بالقرب من الطاولة ، ترتد الكرة بشكل أسرع وأسرع. في انفجار أشعة غاما ، يُضرب المجذاف والجدول بأصداف يتم إخراجها في الطائرة. المجالات المغناطيسية المضطربة تجبر الجسيمات على الارتداد بين الأصداف ، مما يسرعها إلى سرعة الضوء تقريبًا قبل أن تتحرر مثل UHECRs ".
إن اكتشاف النيوترينوات من رشقات أشعة غاما من شأنه أن يحسم حالة تسارع الأشعة الكونية بواسطة رشقات أشعة غاما. النيوترينوات هي جسيمات مراوغة تصنع عندما تتصادم البروتونات عالية الطاقة مع الفوتونات. لا تحتوي النيوترينوات على شحنة كهربائية ، لذلك لا تزال تشير إلى اتجاه مصدرها.
تقوم مؤسسة العلوم الوطنية حاليًا ببناء IceCube (http://icecube.wisc.edu/) ، وهو جهاز الكشف عن الكيلومترات المكعبة الموجود في الجليد تحت القطب الجنوبي ، للبحث عن انبعاث النيوترينو من رشقات أشعة غاما. ومع ذلك ، فإن خصائص مسرعات الجسيمات ذات الطاقة الأعلى في الطبيعة تظل لغزًا دائمًا ، على الرغم من أن التسارع من النجوم المتفجرة التي تجعل انفجارات أشعة غاما كانت مواتية منذ أن اقترح ماريو فيتري (Universita di Roma) و Eli Waxman (معهد وايزمان) ذلك في عام 1995.
يعتقد الفريق أنه في حين أن التفسيرات الأخرى ممكنة لهذه الملاحظة ، فإن النتيجة تتسق مع تسارع UHECR في رشقات أشعة غاما. رأوا كلاً من أشعة جاما منخفضة الطاقة وعالية الطاقة في انفجار GRB941017. أشعة جاما منخفضة الطاقة هي ما يتوقعه العلماء من انحراف الإلكترونات عالية السرعة عن طريق المجالات المغناطيسية الشديدة ، في حين أن أشعة الطاقة العالية هي ما هو متوقع إذا تحطم بعض UHECRs الناتجة عن الانفجار في الفوتونات الأخرى ، مما أدى إلى تدفق جزيئات ، وبعضها وميض لإنتاج أشعة غاما عالية الطاقة عندما تتحلل.
كما أن توقيت انبعاث أشعة جاما مهم أيضًا. تلاشت أشعة جاما منخفضة الطاقة بسرعة نسبيًا ، في حين بقيت أشعة غاما عالية الطاقة. هذا منطقي إذا كانت فئتان مختلفتان من الجسيمات - الإلكترونات والبروتونات من UHECRs - مسؤولة عن أشعة غاما المختلفة. "إن الإلكترونات أسهل بكثير من البروتونات في إشعاع طاقتها. لذلك ، فإن انبعاث أشعة غاما منخفضة الطاقة من الإلكترونات سيكون أقصر من أشعة غاما عالية الطاقة من البروتونات.
كان مرصد كومبتون لأشعة غاما ثاني مرصد ناسا العظيم والمكافئ لأشعة غاما لتلسكوب هابل الفضائي ومرصد تشاندرا للأشعة السينية. تم إطلاق كومبتون على متن مكوك الفضاء أتلانتس في أبريل 1991 ، وكان وزنه 17 طنًا ، أكبر حمولة فيزيائية فلكية على الإطلاق في ذلك الوقت. في نهاية مهمتها الرائدة ، تم التخلص من كومبتون وأعاد دخول الغلاف الجوي للأرض في 4 يونيو 2000.
المصدر الأصلي: بيان صحفي لوكالة ناسا
