راز شکل‌گیری زانوی پرتو کیهانی فاش شد

به گزارش ایسنا، نتایج مهم منتشرشده توسط رصدخانه «LHAASO» چین، یک راز چنددهه‌ای را درباره طیف انرژی پرتوهای کیهانی حل کرده است که کاهش شدید پرتوهای کیهانی را نشان می‌دهد و به آن شکلی غیر معمول شبیه به زانو می‌بخشد.

به نقل از فیز، علت شکل‌گیری این زانو از زمان کشف آن در تقریباً ۷۰ سال پیش تاکنون نامشخص مانده است. دانشمندان حدس می‌زنند که این پدیده با حد شتاب منابع اخترفیزیکی پرتوهای کیهانی ارتباط دارد و نشان‌دهنده‌ گذار طیف انرژی پرتوهای کیهانی از یک نوع توزیع توانی به نوعی دیگر است.

با وجود این، اکنون دو پژوهش جدید به ترتیب نشان می‌دهند ریزاختروش‌هایی که با برافزایش منظومه سیاه‌چاله‌ هدایت می‌شوند، شتاب‌دهنده‌های قوی ذرات در کهکشان راه شیری و احتمالاً منبع زانو هستند. این پژوهش‌ها درک ما را درباره فرآیندهای فیزیکی شدید منظومه‌های سیاه‌چاله‌ای نیز افزایش می‌دهند.

این دو پژوهش توسط پژوهشگرانی از موسسه فیزیک «آکادمی علوم چین»(CAS)، «دانشگاه نانجینگ»(Nanjing University)، «دانشگاه علوم و فناوری چین»(USTC)، «دانشگاه لا ساپینزا رم»(La Sapienza University of Rome) و سایر موسسات انجام شده‌اند.

سیاه‌چاله‌ها یکی از مرموزترین اجرام کیهان هستند که هنگام جذب مواد از ستاره‌های همراه در منظومه‌های دوتایی، فوران‌هایی را تولید می‌کنند و ریزاختروش‌ها را تشکیل می‌دهند. در این پژوهش، رصدخانه LHAASO برای اولین بار به طور سیستماتیک پرتوهای گامای فوق پرانرژی را شناسایی کرد که از پنج ریزاختروش منتشر می‌شدند.

این پژوهش به طور ویژه نشان داد که تابش پرانرژی ساطع‌شده از ریزاختروش «SS 433» با یک ابر اتمی غول‌پیکر هم‌پوشانی دارد و این نشان می‌دهد پروتون‌های پرانرژی توسط سیاه‌چاله شتاب می‌گیرند و با ماده اطراف برخورد می‌کنند. انرژی پروتون در این منظومه معادل انرژی آزادشده در ثانیه توسط چهار تریلیون از قدرتمندترین بمب‌های هیدروژنی بود.

نتایج این پژوهش ثابت می‌کنند که ریزاختروش‌ها شتاب‌دهنده‌های ذرات قابل توجهی در کهکشان راه شیری هستند و به یک مسئله‌ دیرینه در علم می‌پردازند مبنی بر این که اگرچه بقایای ابرنواخترها پیشتر به عنوان منابع پرتو کیهانی شناخته می‌شدند اما مطالعات رصدی و نظری نشان داده‌اند که آنها نمی‌توانند پرتوهای کیهانی را تا انرژی‌های مورد نیاز برای شکل‌گیری زانوی کیهانی و فراتر از آن شتاب دهند.

برای درک کامل این پدیده، اندازه‌گیری دقیق طیف انرژی گونه‌های مختلف پرتوهای کیهانی از جمله زانوهای مربوطه ضروری است. اولین گام، اندازه‌گیری طیف انرژی سبک‌ترین هسته‌ها - پروتون‌ها - است. با وجود این، پرتوهای کیهانی در ناحیه زانو پراکنده هستند و آشکارسازهای ماهواره‌ای، پذیرش محدودی دارند که تشخیص را شبیه به یافتن سوزن در انبار کاه می‌کند. در اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم زمینی ذرات پرتوهای کیهانی، اجتناب از تداخل جوی غیرممکن است. این امر، تشخیص پروتون‌ها را از سایر هسته‌ها دشوار می‌کند. برای مدت طولانی، این اندازه‌گیری غیرممکن تلقی می‌شد.

در این پژوهش، LHAASO با بهره‌گیری از تجهیزات رصد پرتوهای کیهانی زمینی پیشرو در جهان، روش‌های اندازه‌گیری چندپارامتری را توسعه داد و یک نمونه آماری بزرگ از پروتون‌های با خلوص بالا را انتخاب کرد که امکان اندازه‌گیری دقیق طیف انرژی آنها را با دقتی قابل مقایسه با آزمایش‌های ماهواره‌ای فراهم می‌کرد. این بررسی، ساختار کاملاً غیرمنتظره‌ای را از طیف انرژی نشان داد که به وضوح یک مولفه جدید انرژی بالا را به جای یک گذار ساده بین طیف‌های قانون توانی نشان می‌داد.

ساختار پیچیده طیف انرژی پروتون نشان می‌دهد پروتون‌های پرتوهای کیهانی در محدوده انرژی PeV در درجه اول از منابع جدید مانند ریزاختروش‌ها سرچشمه می‌گیرند که حد شتاب آنها به طور قابل توجهی بالاتر از حد شتاب بقایای ابرنواختر است. این امر آنها را قادر می‌سازد تا پرتوهای کیهانی پرانرژی را تولید کنند که از زانو فراتر می‌روند.

این دو کشف از یکدیگر پشتیبانی می‌کنند و یک تصویر علمی جامع را ارائه می‌دهند. این نه تنها پیشرفت قابل توجهی در حل معمای دیرینه منشأ زانو به شمار می‌رود، بلکه شواهد رصدی مهمی را برای درک نقش سیاه‌چاله‌ها در منشأ پرتوهای کیهانی ارائه می‌دهد.

این پژوهش در مجله «National Science Review and Science Bulletin» به چاپ رسید.