تشير الخريطة الكونية لجسيمات الطاقة العالية إلى كنوز مخفية منذ زمن طويل

تنحني الأشعة الكونية التي تنشأ من برج العذراء حول خطوط المجال الملتوية للمجرة بحيث تصطدم بنا من اتجاه Canis Major ، حيث يرى أوجيه مركز فائضها. حلل الباحثون كيف سيتغير النمط الناتج للأشعة الكونية ذات الطاقات المختلفة. وجدوا باستمرار تطابقًا وثيقًا مع مجموعات فرعية مختلفة من بيانات أوجيه.

إن "النموذج المستمر" الذي وضعه الباحثون لأصل الأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية هو تبسيط - فكل قطعة من المادة لا تصدر أشعة كونية ذات طاقة فوق عالية. لكن نجاحها المذهل يكشف أن المصادر الفعلية للأشعة وفيرة وتنتشر بالتساوي في جميع أنحاء المادة ، متتبعةً البنية واسعة النطاق. ال دراسة، والتي ستظهر في رسائل مجلة الفيزياء الفلكيةنالت الثناء على نطاق واسع. قال واتسون: "إنها حقًا خطوة رائعة".

على الفور ، ارتفعت بعض المخزونات: على وجه الخصوص ، ثلاثة أنواع من الأجسام المرشحة التي تخيط إبرة كونها شائعة نسبيًا في الكون ، ولكن من المحتمل أن تكون خاصة بما يكفي لإنتاج جسيمات يا إلهي.

نجوم ايكاروس

في عام 2008 ، Farrar ومؤلف مشارك المقترح قد تكون هذه الكوارث التي تسمى أحداث اضطراب المد والجزر (TDEs) مصدرًا للأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية.

يحدث TDE عندما يسحب نجم إيكاروس ويقترب كثيرًا من ثقب أسود فائق الكتلة. تشعر مقدمة النجم بجاذبية أكبر بكثير من ظهرها لدرجة أن النجم يتمزق إلى قطع صغيرة ويدور في الهاوية. يستمر الدوران حوالي عام. أثناء استمراره ، تنطلق دفقتان من المواد - الأجزاء دون الذرية للنجم المتقطع - من الثقب الأسود في اتجاهين متعاكسين. قد تتآمر موجات الصدمة والمجالات المغناطيسية في هذه الحزم لتسريع النوى إلى طاقات فائقة قبل إطلاقها في الفضاء.

تحدث أحداث اضطراب المد والجزر مرة واحدة تقريبًا كل 100,000 عام في كل مجرة ​​، وهو ما يعادل حدوثه في كل مكان طوال الوقت. نظرًا لأن المجرات تتعقب توزيع المادة ، يمكن أن تشرح TDEs نجاح نموذج Ding و Globus و Farrar المستمر.

علاوة على ذلك ، فإن الوميض القصير نسبيًا لـ TDE يحل ألغازًا أخرى. بحلول الوقت الذي يصل إلينا فيه شعاع TDE الكوني ، سيكون TDE مظلماً لآلاف السنين. قد تتخذ الأشعة الكونية الأخرى من نفس TDE مسارات منحنية منفصلة ؛ البعض قد لا يصل لقرون. يمكن أن تفسر الطبيعة المؤقتة لـ TDE سبب وجود نمط ضئيل للغاية لاتجاهات وصول الأشعة الكونية ، مع عدم وجود ارتباطات قوية مع مواقع الأشياء المعروفة. قال فارار عن أصول الأشعة: "أنا أميل الآن إلى الاعتقاد بأنهم عابرون في الغالب".

حصلت فرضية TDE مؤخرًا على دفعة أخرى من الملاحظة ذكرت في طبيعة علم الفلك في فبراير شباط.

روبرت شتاين، أحد مؤلفي الورقة البحثية ، كان يشغل تلسكوبًا في كاليفورنيا يسمى Zwicky Transient Factory في أكتوبر 2019 عندما جاء تنبيه من مرصد IceCube للنيوترينو في القارة القطبية الجنوبية. كان IceCube قد اكتشف نيوترينوًا نشطًا بشكل خاص. يتم إنتاج النيوترينوات عالية الطاقة عندما تشتت الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية الضوء أو المادة في البيئة التي تتكون منها. لحسن الحظ ، فإن النيوترينوات ، كونها محايدة ، تسافر إلينا في خطوط مستقيمة ، لذا فهي تشير مباشرة إلى مصدر الشعاع الكوني الأصل.

أدار شتاين التلسكوب في اتجاه وصول نيوترينو IceCube. وقال: "لقد رأينا على الفور حدوث اضطراب في المد والجزر من الموقع الذي وصل منه النيوترينو".

تجعل المراسلات من المرجح أن تكون TDE مصدرًا واحدًا على الأقل للأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية. ومع ذلك ، ربما كانت طاقة النيوترينو منخفضة للغاية لإثبات أن TDE تنتج أشعة عالية الطاقة. يتساءل بعض الباحثين بشدة عما إذا كان بإمكان هؤلاء العابرين تسريع النوى إلى أقصى نهاية طيف الطاقة المرصود ؛ لا يزال المنظرون يستكشفون كيف يمكن للأحداث أن تسرع الجسيمات في المقام الأول.

وفي الوقت نفسه ، حولت حقائق أخرى انتباه بعض الباحثين إلى مكان آخر.

انفجار النجوم الخارقة

كما وجدت مراصد الأشعة الكونية مثل Auger و Telescope Array عددًا قليلاً من النقاط الساخنة - تركيزات صغيرة ودقيقة في اتجاهات وصول الأشعة الكونية ذات الطاقة الأعلى. في عام 2018 ، أوجيه نشرت نتائج مقارنة نقاطها الساخنة مع مواقع الأجسام الفيزيائية الفلكية خلال بضع مئات من ملايين السنين الضوئية من هنا. (ستفقد الأشعة الكونية الآتية من أماكن بعيدة الكثير من الطاقة في تصادمات منتصف الرحلة).

في مسابقة الارتباط المتبادل ، لم يتم تنفيذ أي نوع من الأشياء جيدًا بشكل استثنائي - وهذا أمر مفهوم ، نظرًا لتجربة انحراف الأشعة الكونية. لكن الارتباط الأقوى فاجأ العديد من الخبراء: حوالي 10٪ من الأشعة جاءت من 13 درجة من اتجاهات ما يسمى بـ "مجرات الانفجار النجمي". قال: "لم يكونوا على صفيحي أصلاً" مايكل انجر من معهد كارلسروه للتكنولوجيا ، عضو فريق أوجيه.

لا أحد كان أكثر إثارة من لويس أنكوردوكي، عالم فيزياء فلكية في كلية ليمان بجامعة مدينة نيويورك ، والذي المقترح مجرات الانفجار النجمي كأصل للأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية في عام 1999. "يمكنني أن أكون متحيزًا نوعًا ما في هذه الأشياء لأنني كنت من اقترح النموذج الذي تشير إليه البيانات الآن" ، قال.

تصنع مجرات انفجار النجوم باستمرار الكثير من النجوم الضخمة. النجوم الضخمة تعيش بسرعة وتموت صغارًا في انفجارات المستعر الأعظم ، و Anchordoqui يقول أن "الرياح الفائقة" التي تكونت بفعل موجات الصدمة الجماعية لجميع المستعرات الأعظمية هي التي تسرع الأشعة الكونية إلى السرعات المذهلة التي نكتشفها.

ليس الجميع على يقين من أن هذه الآلية ستنجح. "السؤال هو: ما مدى سرعة تلك الصدمات؟" قال فرانك ريجر، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة هايدلبرغ. "هل أتوقع أن يذهب هؤلاء إلى أعلى طاقاتهم؟ في الوقت الحالي أنا أشك في ذلك ".

يجادل باحثون آخرون بأن الأجسام الموجودة داخل مجرات الانفجار النجمي قد تعمل كمسرعات للأشعة الكونية ، وأن دراسة الارتباط المتبادل تلتقط ببساطة وفرة من هذه الأجسام الأخرى. قال فارار: "بصفتي شخصًا يفكر في الأحداث العابرة كمصدر طبيعي ، فهي غنية جدًا بالمجرات النجمية ، لذلك ليس لدي مشكلة".

المجرات النشطة

في دراسة الارتباط المتبادل ، تم إجراء نوع آخر من الأجسام تقريبًا ولكن ليس تمامًا مثل مجرات الانفجار النجمي: أجسام تسمى نوى المجرة النشطة ، أو AGNs.

النوى المجرية النشطة هي المراكز البيضاء الساخنة للمجرات "النشطة" ، حيث تبتلع البلازما الثقب الأسود المركزي الهائل. يمتص الثقب الأسود البلازما للداخل أثناء إطلاق نفاثات ضخمة وطويلة الأمد.

تعد العناصر عالية الطاقة لمجموعة فرعية ساطعة بشكل خاص تسمى النوى المجرية النشطة "راديو-عالية" أكثر الأجسام ثباتًا في الكون ، لذلك لطالما كانوا مرشحين لمصدر الأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية.

ومع ذلك ، فإن هذه النوى المجرية النشطة ذات الصوت العالي نادرة جدًا في الكون لاجتياز اختبار Ding و Globus و Farrar: لا يمكن أن تكون متتبعات للهيكل واسع النطاق. في الواقع ، داخل جوارنا الكوني ، لا يوجد أي شيء تقريبًا. قال ريجر: "إنها مصادر لطيفة ولكن ليس في الفناء الخلفي لمنزلنا".

النوى المجرية النشطة ذات الصوت العالي الأقل قوة هي أكثر شيوعًا ويمكن أن تشبه النموذج المستمر. Centaurus A ، على سبيل المثال ، أقرب نواة مجرية نشطة لاسلكيًا ، تقع مباشرة في أبرز نقطة ساخنة في مرصد أوجيه. (وكذلك الحال بالنسبة لمجرة النجوم).

لقد كافح Rieger وغيره من المتخصصين بجدية لفترة طويلة للحصول على نوى مجرية نشطة منخفضة الطاقة لتسريع البروتونات إلى مستويات جزيئات Oh-My-God. لكنه قال إن الاكتشاف الأخير أعادهم "إلى اللعبة".

لقد عرف علماء الفيزياء الفلكية منذ زمن طويل أن حوالي 90٪ من جميع الأشعة الكونية عبارة عن بروتونات (أي نوى الهيدروجين) ؛ 9٪ أخرى هي نوى الهيليوم. يمكن أن تكون الأشعة أثقل نوى مثل الأكسجين أو حتى الحديد ، لكن الخبراء افترضوا منذ فترة طويلة أن هذه النوى ستمزق بسبب العمليات العنيفة اللازمة لتسريع الأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية.

ثم في نتائج مفاجئة في أوائل عام 2010 ، استنتج علماء مرصد أوجيه من أشكال زخات الهواء أن الأشعة عالية الطاقة هي في الغالب نوى متوسطة الوزن ، مثل الكربون والنيتروجين والسيليكون. ستحقق هذه النوى نفس الطاقة مثل البروتونات أثناء السفر بسرعات منخفضة. وهذا بدوره يجعل من السهل تخيل كيفية عمل أي من المسرعات الكونية المرشحة.

على سبيل المثال ، Rieger حددت آلية هذا من شأنه أن يسمح للنواة المجرية النشطة منخفضة الطاقة بتسريع الأشعة الكونية الثقيلة إلى طاقات فائقة: يمكن للجسيم أن ينجرف من جانب إلى آخر في نفاثة نوى مجرية نشطة ، ويتعرض للركل في كل مرة يعيد فيها الدخول إلى أسرع جزء من التدفق. قال ريجر: "في هذه الحالة وجدوا أن بإمكانهم فعل ذلك بمصادر الراديو منخفضة الطاقة". "سيكون هؤلاء أكثر في فناء منزلنا الخلفي."

ورقة أخرى استكشاف ما إذا كانت أحداث اضطراب المد والجزر ستنتج بشكل طبيعي نوى للوزن المتوسط. قال "الجواب هو أنه يمكن أن يحدث إذا كانت النجوم التي تعطلت هي أقزام بيضاء" سيسيليا لونارديني، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة ولاية أريزونا الذي شارك في تأليف الورقة. "الأقزام البيضاء لها هذا النوع من التركيب - الكربون والنيتروجين." قال لونارديني بالطبع ، يمكن أن تحدث TDEs لأي "نجم مؤسف". "لكن هناك الكثير من الأقزام البيضاء ، لذلك لا أرى هذا على أنه شيء مفتعل للغاية."

يواصل الباحثون استكشاف الآثار المترتبة على وجود الأشعة الكونية ذات الطاقة الأعلى على الجانب الثقيل. لكن يمكنهم الاتفاق على أنه يجعل مشكلة كيفية تسريعها أسهل. قال ريجر: "التركيبة الثقيلة نحو الطاقة الأعلى تريح الأشياء أكثر بكثير".

المصدر الرئيسي

مع تبلور القائمة المختصرة للمسرعات المرشحة ، سيستمر البحث عن الإجابة الصحيحة بقيادة ملاحظات جديدة. الجميع متحمسون ل AugerPrime ، وهو مرصد مطور ؛ بدءًا من وقت لاحق من هذا العام ، سيحدد تكوين كل حدث شعاع كوني فردي ، بدلاً من تقدير التركيب الكلي. بهذه الطريقة ، يمكن للباحثين عزل البروتونات ، التي تنحرف أقل في طريقها إلى الأرض ، والنظر إلى الوراء في اتجاهات وصولهم لتحديد المصادر الفردية. (من المفترض أن تنتج هذه المصادر نوى أثقل أيضًا.)

يعتقد العديد من الخبراء أن مزيجًا من المصادر قد يساهم في طيف الأشعة الكونية عالي الطاقة. لكنهم يتوقعون عمومًا أن يسيطر نوع مصدر واحد ، وأن يصل نوع واحد فقط إلى الطرف الأقصى من الطيف. قال أونغر: "أموالي هي واحدة فقط".

ملاحظة المحرر: Noémie Globus تابعة حاليًا لـ ELI Beamlines في جمهورية التشيك ومعهد Flatiron في نيويورك. يتم تمويل معهد Flatiron من قبل مؤسسة Simons ، التي تمول أيضًا هذه المجلة المستقلة عن التحرير. الانتماء إلى مؤسسة سيمونز ليس له تأثير على تغطيتنا.

المصدر: https://www.quantamagazine.org/high-energy-cosmic-ray-sources-mapped-out-for-the-first-time-20210427/