بیگ بنگ: یک تیم از دانشمندان از کشورهای روسیه و چین، مدلی که توضیح دهنده ماهیت پرتوهای کیهانی با انرژی زیاد در کهکشان ما است را، توسعه دادند. این پرتوهای کیهانی انرژی بیشتر از آنچه (در حدود یک الی دو مرتبه) در انفجارهای ابرنواخترها تولید می شود را، دارند. تمرکز این مدل بطور عمده، روی کشف اخیر ساختارهای عظیم که حباب های فرمی نامیده می شوند، است.
تصویری از حباب های انتشار ذرات ایکس و گاما در کهکشان راه شیری
به گزارش بیگ بنگ، یکی از مسائل کلیدی در نظریه منشأ پرتوهای کیهانی، که شامل هسته های اتمی و پروتون ها با انرژی بالا میباشد، مکانیسم شتاب آنهاست. این موضوع در دهه ١٩۶٠ توسط ویتالی گینزبرگ و سرگی سیرواتسکی زمانیکه اشاره کردند پرتوهای کیهانی در جریان انفجار ابرنواخترها در کهکشان تولید می شوند، مورد توجه قرار گرفت. مکانیسم خاصی از شتاب ذرات باردار توسط امواج تکانه ای ابرنواخترها توسط جرموجن کریمسکی و دیگران در سال ١٩٧٧، پیشنهاد گردید. به دلیل طول عمر محدود این تکانه ها، تخمین زده شد که بیشینه انرژی ذرات شتابدار نمی تواند از ۱۰۱۴-۱۰۱۵ الکترون ولت تجاوز کند.
توضیح ماهیت ذرات با انرژی های بیش از ۱۰۱۵ الکترون ولت، امری کلیدی است. پیشرفت اصلی در تحقیق بر روی فرآیندهای شتاب ِ چنین ذراتی، زمانی به وجود آمد که تلسکوپ فضایی پرتو گامایی فرمی، در نوامبر ٢٠١٠ دو ساختار غول پیکر از انتشار تابش پرتوی گاما را در ناحیه مرکزی کهکشان نشان داد. این ساختارهای کشیده شده، به صورت متقارن در صفحه کهکشانی عمود بر مرکز کهکشان در طولی حدود ۵۰ هزار سال نوری، یعنی تقریبا نصف قطر کهکشان راه شیری، قرار دارند. این ساختارها با نام حباب های فرمی شناخته می شوند. بعدها، تیم تلسکوپ پلانک، انتشار آن را نیز در باند ریزموج کشف کرد.
ماهیت حباب های فرمی هنوز نامعلوم بوده، اما مکان این اجرام، ارتباط آنها با فعالیت گذشته یا حال در مرکز کهکشان، در جاییکه انتظار می رود سیاهچاله ای با جرم ۱۰۶ برابر جرم خورشید وجود داشته باشد را، نشان می دهد. مدل های جدیدتر حباب ها را به تشکیل ستاره و/یا انرژی آزاد شده در مرکز کهکشان، در نتیجۀ اختلالات کشندی ستارگان در طول رشد (یا سقوط) آنها به درون کهکشان، ارتباط می دهند. همچنین ساختارهای مشابهی در دیگر سیستم های کهکشانی با هسته فعال، را می توان نشان داد.
دمیتری چرنیشوف (کارشناس ارشد از مؤسسه فیزیک و تکنولوژی مسکو)، ولادمیر داگیل(از پرسنل مؤسسه فیزیک و تکنولوژی مسکو) و دیگر همکارانشان از هنگ کنگ و تایوان، مجموعه مقاله ای درباره ماهیت حباب های فرمی را منتشر کردند. آنها نشان دادند که انتشار پرتو ایکس و گاما در این نواحی بخاطر فرآیندهایی از جمله الکترون های نسبیتی شتابدار شده توسط امواج تکانه ای ناشی از سقوط مادۀ ستاره ای به داخل سیاهچاله میباشد. در این حالت، امواج تکانه ای باید هم پروتون ها و هم هسته را شتابدار کنند. با این حال، در مقایسه با الکترون ها، پروتون های نسبیتی با توده های بزرگتر به سختی انرژی خود را در هاله کهکشانی از دست داده، و می توانند تمام حجم کهکشان را پر کنند. نویسندگان مقالات اشاره کردند که جبهه های تکانه ای حباب عظیم فرمی، می تواند شتاب دوباره ای به پروتون های انتشار یافته توسط ابرنواخترها برای رسیدن به انرژی های بیش از ۱۰۱۵ الکترون ولت را بدهد.
نمودار طیف پرتوهای کیهانی بر روی زمین (محور افقی نشان دهنده انرژی در واحد، و محور قائم نشان دهنده درخشش پرتوهای کیهانی است). نقاط، داده های مشاهده شده، و خط توپر سیاه رنگ طیف محاسبه شده در مدل را نشان می دهند.
تحلیل ِ شتاب مجدد پرتوهای کیهانی نشان میدهد که حباب های فرمی، ممکن است مسئول تشکیل طیف پرتو کیهانی در بالای ناحیه –knee– در طیف مشاهده شده (تصویر ٢)، یعنی در انرژی های بیشتر از ۳×۱۰۱۵ الکترون ولت (محدوده انرژی B در تصویر ٢) باشند. برای دادن دیدی در این بخش، توجه داشته باشید که انرژی ذرات شتابدار در برخورددهنده هاردونی بزرگ در محدود ۱۰۱۵ الکترون ولت است.
ولادمیر داگیل میگوید: « مدل پیشنهادی توزیع طیف جریان پرتو کیهانی مشاهده شده را توضیح می دهد. می توان گفت، فرآیندهای که توصیف کردیم، توانایی بازشتاب پرتوهای کیهانی کهکشانی تولید شده در انفجار ابرنواخترها را دارند. برخلاف الکترون ها، پروتون ها، طول عمر بیشتری داشته، بطوریکه در هنگام شتابدار شدن در حباب های فرمی، می توانند حجمی از کهکشان را پر کرده و همچنین در نزدیکی زمین قابل مشاهده باشند. مدل ما نشان می دهد که هسته ها و پروتون های با انرژی بالا، با انرژی کمتر از ۱۰۱۵ الکترون ولت (در پایین محدوده انرژی knee از طیف مشاهده شده)، در انفجار ابرنواخترها در دیسک کهکشانی، تولید می شوند. چنین پرتوهای کیهانی با شتاب گیری مجدد در حباب های فرمی به انرژی هایی بیش از ۱۰۱۵ الکترون ولت (در بالای محدوده knee) می رسند. توزیع پرتو کیهانی نهایی در نمودار طیف نشان داده شده است.»
محققان توضیحی برای ویژگی های طیف پرتو کیهانی در محدوده انرژی از ۳×۱۰۱۵ تا ۱۰۱۸ (محدوده انرژی B در تصویر ٢) پیشنهاد دادند. دانشمندان اثبات کردند که ذرات در طول مدت انفجار ابرنواخترها تولید شده و در جایی که انرژی کمتر از ۳×۱۰۱۵ دارند، بازشتاب در حباب های فرمی به دلیل حرکت از دیسک کهکشانی به درون هاله کهکشانی، را تجربه می کنند. پارامترهای منطقی و مناسب مدل توصیف کننده شتاب ذرات در حباب های فرمی، میتوانند ماهیت طیف پرتوهای کیهانی در محدود بالای ۳×۱۰۱۵ الکترون ولت را توضیح دهند. طیف در پایین این محدوده، بدون تغییر باقی می ماند. بنابراین، مدل توانایی تولید توزیع طیف پرتوهای کیهانی همانند آنچه مشاهده میشود را دارد.
ترجمه: سوران زوراسنا/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: phys.org
دیدگاه‌ها بسته شده‌اند.