كشفت أبحاث جديدة أن الإلكترونات والبوزيترونات الأقوى من نوعها التي تم اكتشافها تصطدم بالغلاف الجوي للأرض تحمل طاقات عالية جداً، مما يعني أنها لا يمكن أن تكون قد جاءت إلا من مكان قريب نسبياً.
نحن آمنون ومحمون هنا على سطح الأرض، محميون بواسطة فقاعات جوية، ولكن كوكبنا يتعرض لقصف مستمر من الأشعة الكونية.
لا نعرف الكثير عن هذه الجسيمات القوية التي تسرع عبر الفضاء. لكن مرصدًا في صحراء ناميبيا يقربنا قليلاً من فهم أصولها.
لقد اكتشف مرصد H.E.S.S. الإلكترونات والبوزيترونات بطاقات تصل إلى 40 تيرا إلكترون فولت. تُعرف هذه الجماعة باسم إلكترونات الأشعة الكونية، أو CRe.
هذه الجسيمات نادرة للغاية، لكن طاقتها تشير إلى أنها جميعًا انبثقت من نفس ركن درب التبانة الذي يقع فيه النظام الشمسي، وربما حتى من نفس المصدر.
سوف يستغرق الأمر بعض الوقت حتى نعرف من أين أتوا، إذا عرفنا ذلك على الإطلاق، ولكن قلة المرشحين ضمن الحجم المحدد من الفضاء قد تضيق الخيارات قليلاً.
<
“هذه نتيجة مهمة”، تشرح عالمة الفيزياء الفلكية كاثرين إيغبرتس[[LINK0]] من جامعة بوتسدام في ألمانيا، “حيث يمكننا أن نستنتج أن الـ CRe المقاسة تأتي على الأرجح من عدد قليل جداً من المصادر في جوار نظامنا الشمسي، حتى مسافة قصوى تصل إلى بضعة آلاف من السنين الضوئية، وهي مسافة صغيرة جداً مقارنة بحجم مجرتنا.”
<
تُمثل الجسيمات المشحونة الكونية (CRe) نسبة صغيرة جداً من جميع جسيمات الأشعة الكونية، ويُعتقد أنها تنشأ من أشياء متطرفة في الفضاء – مثل بقايا المستعرات العظمى، والجوار القريب من الثقوب السوداء، والنجوم فائقة الكثافة مثل النباضات. يعتقد العلماء أن هذه الأجسام تُسرع جسيمات الأشعة الكونية إلى طاقات عالية وترسلها في جميع أنحاء الكون.
عندما تصطدم هذه الجسيمات بغلاف الأرض الجوي، فإنها، لفترة قصيرة، تسير بسرعة أعلى قليلاً من سرعة الضوء في حجم الغلاف الجوي. هذا يخلق ظاهرة تُدعى إشعاع تشيرنكو – وهو ما يعادل ضوضاء الصوت. هذا الإشعاع ضعيف جداً؛ وهذه الإشعاعات الضعيفة هي ما تم تصميم H.E.S.S. لاكتشافه.
ليس فقط الجسيمات المشحونة الكونية (CRe) هي التي تسبب هذه الظاهرة في الغلاف الجوي. أشعة غاما تُنتج تأثيراً مشابهًا. وهذا يجعل تحديد الجسيمات المشحونة الكونية (CRe) تحديًا بعض الشيء.
قال عالم الفلك ماثيو دو نواروا من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي لـ ScienceAlert: “الـCRe هي إلكترونات، وبالتالي فهي جسيمات مشحونة تشكل المادة، بينما أشعة جاما هي فوتونات، أي ضوء.”
“تسافر أشعة جاما بشكل مستقيم في الكون، مما يسمح لنا بتحديد مصادرها، في حين أن الإلكترونات لها مسارات فوضوية، حيث تتفاعل مع المجال المغناطيسي. كلاهما ينتج أمطارًا كهرومغناطيسية أو جسيمات عندما تدخل الغلاف الجوي، ومن الصعب جدًا تمييزهما عن بعضهما البعض.”
لتحديد الـCRe عالية الطاقة، كان على الباحثين التدقيق في بيانات H.E.S.S. لتحديد مرشحي الـCRe. من المحتمل أن تتضمن قائمتهم النهائية لمرشحي الأحداث بعض أشعة جاما أيضًا؛ ولكن المجموعة كبيرة بما يكفي لاستخلاص بعض الاستنتاجات الإحصائية.
تتراوح الطاقات حتى 40 تيراإلكترونفولت، وهي أقوى من أي أشعة كونية تم اكتشافها تضرب الأرض حتى الآن.
تعتبر اكتشافات الأشعة الكونية التي تحتوي على طاقات أعلى من تيراإلكترونفولت نادرة جدًا. وذلك لأنهم، أثناء تحركهم عبر الفضاء، يفقدون الطاقة بسرعة.
“في إشعاع السنكروترون، تتفاعل الجسيمات المشحونة مع المجال بين النجمي والمجالي. إنها تكتسب مسارًا حلزونيًا حول خطوط المجال المغناطيسي، وتُشع إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، من الموجات الراديوية إلى الأشعة السينية. من خلال القيام بذلك، تفقد الطاقة”، قال دي ناوروا.
“في ما يُعرف بـ ‘تشتت كومبتون العكسي’، تتفاعل جسيم مشحون مع الضوء المحيط. إنها تتفاعل مع فوتون منخفض الطاقة وتمنح معظم طاقتها له. تُسمى هذه العملية ‘كومبتون العكسي’ لأنها عكس تشتت كومبتون، حيث يتشتت فوتون عالي الطاقة عن إلكترون من الوسط ويعززه إلى طاقة عالية.”
نظرًا لأن CRe تفقد الطاقة بسرعة كبيرة، يجب أن تكون الأحداث المرشحة قد سافرت من الفضاء القريب لتظل قوية إلى هذا الحد عندما تصل إلى الأرض. لا يمكننا تتبعها إلى مصدر؛ فمساراتها غير متوقعة للغاية؛ لكن هناك شيء آخر يتعلق بطاقاتها قد يكون دليلًا. هناك نقطة قطع أدنى واضحة عند 1.17 تيراإلكترون فولت.
“إن حقيقة أن تغيير الميل حاد تشير إلى أنه لا يوجد سوى عدد قليل من المصادر الكونية، إن لم يكن واحدًا فقط، التي تنتج هذه الإلكترونات”، كما أوضح دي نورويس.
<
“وإلا فإن طيف الطاقة سيكون تراكبًا لمساهمات مصادر مختلفة مع انقطاعات عند طاقات مختلفة، مما ينتج عنه منحنى أكثر سلاسة بكثير.”
نظرًا لأن حجم الفضاء الذي يمكن أن تظهر منه هذه الجسيمات المشحونة (CRe) صغير جدًا، فإن ذلك يعني أن مجموعة المصادر المحتملة صغيرة أيضًا. تشمل المرشحين بقايا سوبرنوفا تُعرف باسم حلقة مونوغيم؛ نجم محتضر من نوع وولف-رايت يُسمى γ2 فيلورم؛ أو نباض مثل فيلا أو جيمينغا.
ومع ذلك، من الممكن أيضًا أن يكون المصدر بقايا سوبرنوفا قديمة جدًا لدرجة أنها قد تلاشت وتلاشت عن الأنظار. ليس لدينا وسيلة لمعرفة ذلك في الوقت الحالي.
ومع ذلك، فإن هذا العمل الاستثنائي يقربنا خطوة نحو فهم كيفية تنشيط الكون. يخطط الفريق للتحقيق أكثر لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تحديد اتجاه مفضل تأتي منه الجسيمات المشحونة (CRe).
سيكون الأمر معقدًا، لكن المكافآت المحتملة عالية، وستكون مجموعة المرشحين المتزايدة ذات قيمة لا تقدر بثمن لدراسة الجسيمات المشحونة (CRe) في المستقبل.
“قياسنا لا يقدم فقط بيانات في نطاق طاقة حاسم وغير مستكشف سابقًا، مما يؤثر على فهمنا للجوار المحلي، ولكنه من المحتمل أيضًا أن يبقى معيارًا للسنوات القادمة”، يقول دي ناوروايس.
تم نشر البحث في رسائل المراجعة الفيزيائية.
المصدر: المصدر