أُبلغ عن ذلك لأول مرة في عام 1912 من قبل الفيزيائي النمساوي فيكتور هيس، الأشعة الكونية تم اكتشافها بعد سلسلة من ارتفاعات المناطيد التي كانت تهدف لاستكشاف الإشعاع المؤين الذي تم الكشف عنه لأول مرة على مقياس كهربائي. ومع ذلك، بعد الوصول إلى ارتفاع 5300 متر، كشف هيس عن مصدر طبيعي للجسيمات عالية الطاقة من الفضاء. اليوم، نسمي تلك الجسيمات بالأشعة الكونية.

الآن، علماء H.E.S.S. متحمسون لأنهم اكتشفوا أعلى طاقة الإلكترونات والبوزيترونات حتى الآن (البوزيترون يشبه “العكس” للإلكترون لأنه يحمل كتلة الإلكترون، لكنه مشحون إيجابياً مثل البروتون), والتي تشكل أحد مكونات الأشعة الكونية عالية الطاقة. الاكتشاف مثير لأنه يوفر دليلاً ملموساً على عمليات كونية متطرفة تطلق كميات هائلة من الطاقة.

متعلق: تعرضت الأرض لصدمة من الأشعة الكونية قبل 41,000 عام بسبب ضعف المجال المغناطيسي

“فهم هذه الأشعة الكونية يسمح لنا بالكشف عن مسرعات الجسيمات الكبيرة في الكون التي غالبًا ما ترتبط بأكثر الظواهر عنفًا: انفجار النجوم؛ أجسام شديدة الكثافة ذات مجالات جاذبية وكهرومغناطيسية ضخمة، مثل النجوم النيوترونية والنابضات؛ الاندماجات الكارثية؛ والثقوب السوداء،” قال دي ناوروا.

الجزء الرائع هو أنه، لأن الإلكترونات عند هذه الطاقة تفقد الطاقة بسرعة، تعتقد المجموعة أنه يجب أن تكون قادمة من مكان قريب نسبيًا. “في محيط نظامنا الشمسي، هناك مسرعات كونية فعالة جدًا للإلكترونات،” قال دي نورويس. “في غضون بضع مئات من سنوات ضوئية، هناك العديد من النجوم، وأقربها عادةً ما يكون على بعد سنتين ضوئيتين من الأرض. لذلك، نتوقع أيضًا أن يكون هناك عدد من ‘النجوم الميتة’ في هذه المنطقة، مثل النباضات أو بقايا السوبرنوفا، التي قد تكون مصادر هذه الإلكترونات.”

كشف هذه الإلكترونات والبوزيترونات عالية الطاقة التي تمتلك طاقات تصل إلى عدة تيرا إلكترون فولت – وهي أعلى من أي ما يمكن أن تحققه مسرعات الجسيمات على الأرض – كان تحديًا خاصًا لعدة أسباب.

أولاً، تسبب الحقول المغناطيسية المجرية في انحراف الإلكترونات عن مسارها المستقيم، مما يجعلها تصل إلى الأرض من اتجاهات تبدو عشوائية. ثانيًا، تكون الأدوات الفضائية صغيرة جدًا لالتقاط كمية كافية من هذه الجسيمات، جزئيًا بسبب التوزيع غير المنتظم للطاقة للجسيمات في الفضاء.

بعبارة أخرى، تُسرع مصادر الأشعة الكونية الجسيمات تدريجيًا، مما يجعل الجسيمات عالية الطاقة أكثر احتمالًا للهروب من أنظمتها. لأن الوصول إلى أعلى الطاقات يستغرق وقتًا، فإن ذلك يؤدي إلى وفرة من الجسيمات منخفضة الطاقة وتناقص تدريجي للجسيمات عند مستويات الطاقة الأعلى. “عند الطاقات العالية، يتناقص تدفق الأشعة الكونية بسرعة، مما يعني أن الأدوات الفضائية تجمع عددًا قليلًا جدًا منها،” كما أوضح دي نواروا.

من ناحية أخرى، تواجه التلسكوبات الأرضية التي تكشف عن الأشعة الكونية بشكل غير مباشر صعوبة في تمييز إلكترونات الأشعة الكونية عن أنواع أخرى لا حصر لها من الأشعة الكونية التي تقصف غلاف الأرض الجوي.

قال دي نورويس: “إن H.E.S.S.، بالمقابل، يتمتع بمساحة فعالة كبيرة، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لدراسة الجزء عالي الطاقة من طيف الإلكترونات.”

تم تصميم مرصد H.E.S.S.، الذي يتكون من خمسة تلسكوبات كبيرة منتشرة عبر منطقة بحجم ملعب كرة القدم تقريبًا، لالتقاط الأمطار الجوية التي تصدر إشعاع تشيرينكوف. يحدث هذا الإشعاع عندما تتصادم الجسيمات عالية الطاقة مع الغلاف الجوي للأرض، مما يخلق أمطارًا من الجسيمات التي يمكن للتلسكوبات اكتشافها وتحليلها.

<>

على الرغم من أن الهدف الرئيسي هو الكشف عن أشعة غاما وإيجاد مصادرها، أعادت الفريق استخدام البيانات للبحث عن هذه الإلكترونات عالية الطاقة من الأشعة الكونية. “الخوارزمية المستخدمة هنا تعتمد على مقارنة بكسل ببكسل، باستخدام نمذجة إحصائية متطورة – تحديدًا تحليل الاحتمالية – بين نموذج محسوب مسبقًا والصور المسجلة بواسطة الكاميرا”، كما قال دي ناوروا.

في الأصل، تم تعديل الخوارزمية للكشف عن الإلكترونات، التي تختلف بشكل طفيف عن أشعة غاما. وكان عليهم أيضًا القدرة على تمييز الإلكترونات عن الإشارات الخلفية. ونظرًا لأن الإلكترونات نادرة في البيانات، كان يجب تعديل الخوارزمية لرفض جزيئات الأشعة الكونية الأخرى من خلال تطبيق معايير أكثر صرامة، ولكن هذا أدى أيضًا إلى اكتشاف عدد أقل من الإلكترونات.

لتحسين الدقة، “تمت محاكاة كل ملاحظة تلسكوبية بدقة، مما يوفر فهمًا أعمق لكيفية تصرف الأدوات”، كما قال دي ناوروا.

أسفر ذلك عن مجموعة غير مسبوقة من البيانات الإحصائية لتحليل إلكترونات الأشعة الكونية. أكد الفريق أن طيف طاقة الإلكترون يمتد حتى 40 تيرافولت على الأقل، وهو ما يعادل 400 مرة أعلى من قدرات الكشف عن الطاقة في المسرعات الأرضية. يشير “الكسر” الحاد في الطيف حول 1 تيرافولت إلى أن الإلكترونات عند هذه الطاقة تفقد الطاقة بسرعة داخل درب التبانة، مما يوحي، كما ذكر دي نواروا، بأنها تنشأ من مصادر قريبة نسبيًا.

تشير حدة هذا الانفصال إلى أن هناك مصدرًا كونيًا واحدًا فقط أو ربما عدد قليل من المصادر مسؤولة عن هذه الإلكترونات،” أضاف. “إذا كانت هناك مصادر متعددة متورطة، لكان الطيف أكثر سلاسة، مع حدوث الانفصالات عند مستويات طاقة مختلفة. أفضل المرشحين هم سوبرنوفا قديمة نسبيًا، أو رياح نجمية قوية من نجوم WR [النوى العارية لنجوم ضخمة في الأصل، تم إزالة غلافها الغني بالهيدروجين بواسطة الرياح النجمية]، لكن هناك احتمالات أخرى لا يمكننا استبعادها.

يقول الفريق إن تحليله لا يوفر فقط بيانات حاسمة، بل أيضًا بيانات ستعمل كمعيار للدراسات المستقبلية.

المصدر: المصدر