مطالب علمی

پرتوهاي كيهاني  

ذرات باردار پرانرژي¬اي كه ازتمام جهات وارد جو زمين مي شوند، پرتوهاي كيهاني نام دارند. اين ذرات عموماً هسته¬هاي يونيده¬اي هستند كه87% آن ها پرتون ها، 12% ذرات آلفا و 1% ديگر را هسته هاي سنگين تر (Z≥3 ) شامل مي شوند . ويكتورهس ، فيزيك دان اتريشي  اولين بار، بوسيله يك بالن تا ارتفاع حدود   كيلومتري سطح زمين پرواز كرد و با اندازه گيري مقدار يونش هوا در ارتفاعات مختلف موفق به كشف پرتوهاي كيهاني گرديد . چندي پس از كشف پرتوهاي كيهاني تصور مي شد كه اين تابش شامل فوتون هاي گاما و الكترون هاي ثانويه¬ی بوجود آمده در اثر پراكندگي كامپتون فوتون¬هاي گاما باشند. ولي با آزمايش هايي كه روي رد ذرات در اتاقك بخار انجام شد و همين طور از روي تفاوت آهنگ آشكارسازي ذرات از جهت شرق و غرب جغرافيايي، در نهايت مشخص شد پرتوهاي كيهاني غالباً ذرات باردار مثبت بوده و بيش تر آنها پروتون هستند. در جريان اين سفر اکتشافی، Hess متوجّه شد كه با افزايش ارتفاع بالون حامل اتاقك يونش تا ارتفاع 2000 متري، تعداد ذرات ثبت شده كمتر می‌شود. اما بالاتر از 2000متر ذرات بيشتري ثبت شدند كه تا رسيدن بالون به بيشترين ارتفاع (5350 )متري اين افزايش سریع‌تر صورت می‌گرفت. بنابراين همان‌گونه كه اكنون نيز ثابت شده است چنين نتيجه گرفته شد كه اين افزايش ناشي از تابش وارد شده به جو از سوي فضا است و نه با منشأ زميني. همچنين با تكرار اين آزمايش در زمان خورشيدگرفتگي و مشاهده‌ی عدم كاهش شار، منشأ فراخورشيدي اين پرتوها نمايان شد.

در سال 1939، پي¬ير اوژه بهمن‌های گسترده‌ی هوايي را با استفاده از آشكار¬سازي¬هاي جدا از هم كشف كرد. او رخدادهاي هم زمان را در آشکارسازی‌های مجزا مشاهده نمود و بنابراين نتيجه گرفت كه ذرات اولیه‌ی پرتوهاي كيهاني در برهمكنش با مولکول‌ها واتم هاي جو زمين يك بهمن گسترده¬ي هوايي را به وجود می‌آورند. از آن زمان تا كنون جنبه هاي متفاوتي از پرتوهاي كيهاني بررسي و كشف شده است.

انرژي ذرات اوليه گستره‌ی وسيعي در حدود 11 مرتبه‌ی بزرگي از 109 الكترون ولت تا 1020 الكترون ولت را می‌پوشاند. ولي هنوز سؤالات بنیادی‌ای وجود دارد كه پاسخي براي آن‌ها نيافته ايم. مثلاً نوع چشمه هاي ايجاد کننده‌ی پرتوهاي كيهاني، سازوكارهاي شتاب گيري ذرات تا اين انرژی‌های بالا. در اینجا، مرور مختصري بر خصوصيات پرتوهاي كيهاني و بر هم کنش‌های آن در جو آمده است.

طيف انرژي پرتوهاي كيهاني

كه در آن شاخص طيفي،‌   در محدوده‌ی 5/2 تا 2/3 قرار دارد.

تا محدوده‌ی انرژی‌های كمتر از  100، ذرات را می‌توان به طور مستقيم در آشکارسازهایی كه روي بالن يا ماهواره سوار هستند مشاهده كرد. در این ناحيه از انرژي شدت شار  1 است. اما در انرژی‌های بالاتر شار آنقدر كم می‌شود كه نمی‌توان پرتوهاي كيهاني را به طور مستقيم مشاهده كرد. چون سطوح آشكارسازي كه از مرتبه‌ی 1 مترمربع است براي اين منظور كوچك است. بنابراين محققان اين پرتوها را به طور مستقیم با اندازه گيري بهمن گسترده‌ی هوايي توليد شده توسط آن‌ها آشكارسازي می‌کنند. اين آزمایش‌های زميني از جو زمين به عنوان محيط آشكار سازي استفاده می‌کنند و بنابراين در مقایسه با آزمایش‌های سوار بر بالن يا ماهواره، مساحت آشكارسازي به مقدار چشمگيري افزايش می‌یابد.

شار پرتوهاي كيهاني بر حسب انرژي ذره¬اي شكل 1  نشان داده شده است. بر انتهاي طيف كه مربوط به انرژی‌های بالا می‌باشند، در دو ناحيه انرژي، يكي پس از 1015 و دیگری از انرژی‌های     1020_1018 دو شکستگی به چشم می‌خورد. اولين شكستگي زانو ناميده می‌شود كه اولين بار در سال (1958) كشف شد. در انرژی‌های حدود  4 شاخص طيف از مقدار 7/4 به مقدار 1/3 تغيير می‌کند. ذراتي با انرژي در محدوده‌ی انرژي زانو، تحت تأثير ميدان مغناطيسي درون كهكشهان محصور می‌شود. زيرا شعاع چرخش آن‌ها با احتساب ميدان مغناطيسي   برابر است با  ، كه از ابعاد كهكشان کوچک‌تر است.

ساختار ديگر طيف پرتوهاي كيهاني پاشنه ناميده می‌شود. در انرژی‌های حدود   شاخص طيف از مقدار 1/3به مقدار 75/2 تغيير می‌کند. با توجه به اينكه در میدان مغناطيسي يكنواخت   پرتویی با انرژي در محدوده‌ی انرژي پاشنه، شعاع چرخشي به اندازه‌ی 2-1 كيلو پارسك خواهد داشت. بنابراين بعيد به نظر می‌رسد كه اين ذرات بسيار پر انرژي مربوط به داخل كهكشان باشند. بنابراين منشأ طيف بعد از اين شكستگي مربوط به ذرات فراكهكشاني خواهد بود.

سرانجام آخرين جنبه‌ی طيف انرژي توسط گرايزنف زاتسين و كازمين پيش بيني شده است. در انرژی‌های بيش از   انرژي فوتون‌های پس زمینه‌ی مايكروويو در دستگاه سكون پروتون از مرتبه‌ی  200 است. كه اين مقدار بيش از انرژي آستانه توليد پايون است. بنابراين مادامي كه انرژي فوتون‌های پس زمينه بالاتر از مقدار آستانه‌ی توليد پایون باشد، پرتوهاي كيهاني بسيار پرانرژي، انرژي خود را در طي اين فرآيندها از دست می‌دهند. فرض بر اين است كه منشأ ذرات بسيار پرانرژي با انرژي بيش از اين فراكهكشاني است و بنابراين با يك خط برش در طيف انرژي مشاهده شود. به اين خط برش،‌ خط برش   می‌گویند.

هنوز مشخص نيست كه آيا چنين خط برشي در طيف وجود دارد يا خير؟ در اندازه گیری‌های آگاسا كاهش فشار پرتوهاي كيهاني اوليه تا انرژی‌های حدود 102  مشاهده نشده است كه دلالت بر عدم وجود چنين خط برشي دارد.

ولي نتايج هايرس ، وجود چنين خط برش را در انرژی‌های حدود   تأييد مي كند. ولي هنوز اين موضوع بحث انگيز است و توافقی در مورد آن وجود ندارد.

چشمه هاي پرتوهاي كيهاني اوليه و نحوه‌ی شتابگيري و انتشار پرتوهاي كيهاني

   سؤال اساسي كه در پرتوهاي كيهاني وجود دارد اين است كه پرتوهاي كيهاني از کجا می‌آیند و در حقیقت چگونه آن‌ها با چنين انرژي بالايي شتاب می‌گیرند. پاسخ به سؤال منشأ پرتوهاي كيهاني هنوز مشخص نشده است.

اندرکنش‌های ذرات باردار با چشمه¬هاي ميدان مغناطيسي موجود در كهكشان (خورشيد، باد خورشيدي  و بقاياي انفجارهاي ابرنواختري ) می‌توانند توضيحي براي ذرات با انرژي 109_1016 الكترون ولت باشند، اما، براي اين ذرات با انرژی‌های بالاتر هنوز جواب مطمئني براي چشمه و چگونگي اين ذرات تا اين انرژی‌ها وجود ندارد و رصدخانه هاي بزرگ و در حال توسعه مثل اوژه،در حال بررسي اين سؤالات هستند. بنابراين، ذرات تا انرژي حدود 1018  را با منشأ درون كهشكاني می‌دانیم و انرژی‌های بالاتر را با منشأ فراكهكشاني می‌دانیم .

از طرفي، اختلال (انحراف مسير) ناشي از میدان‌های مغناطيسي موجود در كهكشان ، خورشيد و زمين مطالعه‌ی چشمه هاي پرتوهاي كيهاني را پیچیده می‌کند.     

پرانرژي¬ترين ذرات حداقل انحراف ناشي از ميدان مغناطيسي را دارند و بر اساس شناخت كنوني ما از ميدان مغناطيسي كهكشان، ذرات فوق‌العاده پر انرژي (از 100 تا  100)، تنها حدود كمتر از 3 درجه منحرف می‌شوند. بنابراين امكان ارتباط دادن جهت ورود اين ذرات با اجرام نجومي شناخته شده مثل کهکشان‌های نزديك وجود دارد.

مكانيزم شتاب گیری ذراتي با انرژي بيشتر از  1015   به ستاره هاي دوتايي ( سیستم دو ستاره اي كه حول يكديگر در چرخش اند) يا بقاياي ابرنواختر (پوسته‌ی متلاطم از گاز، كه پس از انفجار ستاره ايجاد می‌شود) مربوط می‌باشد. به هر حال مکانیزم‌های شتاب گیری در تولید پرتوهاي كيهاني پر انرژي، هنوز ناشناخته است. يك احتمال وجود دارد كه آن‌ها توسط ذرات سنگين (با جرم زياد) درزمان آغاز حيات توليد شده باشند. بنابراين مكان توليد پرتوهاي كيهاني با انرژي بیشتر از  1018 يا بايد داراي ميدان مغناطيسي خيلي قوي باشد يا اندازه آن بسيار بزرگ باشد. اگر پرتوهاي كيهاني پر انرژي از درون كهكشان ما، بيايند انتظار می‌رود كه مكان توليد آن‌ها، نسبتاً نزديك به زمين باشد. چون برخلاف پرتوهاي كم انرژي، كهكشان نمی‌تواند چنين ذرات پر انرژي را درون ميدان مغناطیسی‌اش به دام بیاندازد. لذا آن‌ها پس از طي فاصله‌ی كوتاهي از میدان مغناطيسي رهايي می‌یابند. اگر چنين بود انتظار داشتيم كه پرتوهاي كيهاني پر انرژي از جهت صفحه كهكشان به زمين فرود آيند.

به هر حال،‌ اگر پرتوهاي كيهاني پر انرژي از بيرون كهكشان ما بيايند، قادر نخواهند بود بيشتر از 150 ميليون سال نوري را طي كنند. اين ممكن است كه راه طولاني داشته باشد اما اين فاصله فقط فاصله تا چند كهكشان مجاور با كهكشان ما می‌باشد!

دليل اينكه پرتوهاي پرانرژي مسافت بيشتر از اين را نمی‌توانند طي كنند، اين است كه آن‌ها همان طور كه از فضا گردش می‌کنند به فوتون‌های تابش ميكروويو (كه اين تابش، نور ناشی از انفجار بزرگ هنگام خلق جهان می‌باشد) برخورد می‌کند. وقتي پروتون‌های پرانرژي به فوتون‌های ميكروويو برخورد می‌کنند، بخشي از انرژی‌شان را از دست می‌دهند. اين اثر به نام نقطه‌ی قطع   شناخته شده است و به اين علت اين اثر، فيزيكدانان معتقدند كه هيچ پرتو كيهاني با انرژي بيشتر از انرژي تقريباً   وجود ندارد. اما با آزمايشاتي مانند آزمايش چشم مگس در آمريكا   و آزمايش  در ژاپن نشان داده‌اند كه ذراتي بالاي نقطه قطع   وجود دارند. همان طور كه اشاره شد شار پرتوهاي پرانرژي بسيار كم می‌باشد. در سال 1993 با آزمايش چشم مگس در آمريكا، توانستند پرتو كيهاني با انرژي   را آشكار سازي كنند.

بخش علمی مرکز علوم و ستاره شناسی تهران