اكتشف علماء الفيزياء الفلكية في جامعة يوتا ومجموعة التلسكوب أشعة كونية ذات طاقات تتجاوز الحدود النظرية، مما يشكل تحديًا للفهم الحالي لفيزياء الجسيمات. تشير هذه الاكتشافات، بما في ذلك جسيمات يا إلهي وأماتيراسو، إلى ظواهر كونية غير معروفة وهي محور البحث المستمر.
بجانب جسيم Oh-My-God، يعمل جسيم Amaterasu المسمى حديثًا على تعميق لغز أصل وانتشار وفيزياء الجسيمات للأشعة الكونية النادرة فائقة الطاقة.
في عام 1991، كشفت تجربة العين بجامعة يوتا التابعة لجامعة يوتا عن الأشعة الكونية ذات الطاقة الأعلى التي تم رصدها على الإطلاق. سُميت لاحقًا جسيمات يا إلهي، وقد صدمت طاقة الأشعة الكونية علماء الفيزياء الفلكية. لا شيء في مجرتنا لديه الطاقة اللازمة لإنتاجه، وكان للجسيم طاقة أكبر مما هو ممكن نظريًا للأشعة الكونية التي تنتقل إلى الأرض من مجرات أخرى. ببساطة، لا ينبغي أن يكون هناك جسيمات.
أسرار علم الفلك
وقد رصدت مجموعة التلسكوب أكثر من 30 شعاعًا كونيًا عالي الطاقة، على الرغم من أن أيًا منها لم يقترب من مستوى الطاقة. ولم تكشف أي ملاحظات حتى الآن عن أصلهم أو كيف يمكنهم السفر إلى الأرض.
عرض فني لأشعة كونية نشطة للغاية تم رصدها بواسطة مصفوفة اكتشاف السطح في تجربة مصفوفة التلسكوب، والتي يطلق عليها اسم “جسيم أماتيراسو”. المصدر: جامعة أوساكا ميتروبوليتان/L-Inside، جامعة كيوتو/ريونوسوكي تاكيشيجي
في 27 مايو 2021، اكتشفت تجربة مصفوفة التلسكوب ثاني أعلى أشعة كونية كثافة. 2.4 × 10 بوصة20فولت، فإن طاقة هذا الجسيم دون الذري الواحد تعادل إسقاط حجر على إصبع قدمك من ارتفاع الخصر. تتكون مجموعة التلسكوب، بقيادة جامعة يوتا (U) وجامعة طوكيو، من 507 محطة كشف سطحية تغطي شبكة مساحتها 700 كيلومتر مربع.2 (~ 270 ميلا2ولاية يوتا في الصحراء غرب الولاية، خارج الدلتا. أدى هذا الحدث إلى إطلاق 23 كاشفًا في الجزء الشمالي الغربي من مصفوفة التلسكوب، على بعد 48 كم.2 (18.5 ميل2) الذي ينبع اتجاه وصوله من الفراغ المحلي، المنطقة الفارغة عند حدود الفضاء درب التبانة جالاكسي.
وقال جون ماثيوز، المتحدث باسم مجموعة التلسكوبات بجامعة يو والمؤلف المشارك لـ “الجسيمات نشطة للغاية لدرجة أنها لا ينبغي أن تتأثر بالمجالات المغناطيسية المجرية وخارج النجومية. يمكنك تحديد المكان الذي تأتي منه في السماء”. الدراسة. “لكن يا إلهي الجسيم وهذا الجديد. في حالة الجسيم، يمكنك تتبع مساره إلى مصدره، ولا توجد طاقة عالية بما يكفي لتكوينه. هذا هو اللغز – ماذا يحدث؟
جسيم الاماتيراسو
في ملاحظتهم المنشورة في المجلة بتاريخ 24 نوفمبر 2023 علوم، قام تعاون دولي من الباحثين بوصف الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية للغاية، وتقييم خصائصها، وخلصت إلى أنها ظاهرة نادرة تتبع فيزياء الجسيمات غير معروفة للعلم. أطلق الباحثون عليه اسم جسيم أماتيراسو تيمناً بإلهة الشمس في الأساطير اليابانية. تم اكتشاف جسيمات Oh-My-God وAmaterasu باستخدام تقنيات رصد مختلفة، مما يؤكد أنه على الرغم من ندرتها، إلا أن هذه الأحداث فائقة الطاقة حقيقية.
رسم توضيحي فلكي لأشعة كونية فائقة الطاقة لتوضيح ظواهر أكثر نشاطًا بدلاً من الأشعة الكونية الأضعف التي تضربها المجالات الكهرومغناطيسية. المصدر: جامعة أوساكا ميتروبوليتان/جامعة كيوتو/ريونوسوكي تاكيشيجي
وقال جون بيلز، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا والمؤلف المشارك في الدراسة: “يبدو أن هذه الأحداث تأتي من أماكن مختلفة تماما في السماء. ليس الأمر كما لو أن هناك مصدرا غامضا. يمكن أن يكون هناك عيوب في بنية السماء”. الزمكان، اصطدام الأوتار الكونية.” أعني أنني ألفظ الأفكار المجنونة التي يأتي بها الناس لأنه لا يوجد تفسير تقليدي.
مسرعات الجسيمات الطبيعية
الأشعة الكونية هي أصداء لأحداث سماوية عنيفة تجرد المادة إلى بنيتها دون الذرية وتنفجر عبر الكون بسرعة تقارب سرعة الضوء. الأشعة الكونية في الأساس هي جسيمات مشحونة بمجموعة واسعة من الطاقات تتكون من بروتونات موجبة أو إلكترونات سالبة أو نوى كاملة تنتقل عبر الفضاء وتهطل على الأرض بشكل مستمر.
تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي العلوي للأرض وتمزق نواة الأكسجين وغاز النيتروجين، مما يؤدي إلى تكوين العديد من الجسيمات الثانوية. وتنتقل هذه الجسيمات لمسافة معينة في الغلاف الجوي وتكرر العملية، مما يؤدي إلى إنشاء وابل من مليارات الجزيئات الثانوية التي تنتشر على السطح. إن مساحة هذا الدش الثانوي ضخمة وتتطلب أجهزة كشف لتغطية مساحة كبيرة مثل مجموعة التلسكوب. تستخدم أجهزة الكشف السطحية مجموعة من الأدوات التي تزود الباحثين بمعلومات حول كل شعاع كوني؛ يوضح توقيت الإشارة مسارها وتكشف كمية الجسيمات المشحونة التي تضرب كل كاشف عن طاقة الجسيم الأولي.
ونظرًا لأن الجسيمات لها شحنة كهربائية، فإن مسار طيرانها يشبه الكرة في آلة الكرة والدبابيس حيث أنها تتعرج ضد المجالات الكهرومغناطيسية في الخلفية الكونية الميكروية. يكاد يكون من المستحيل تتبع مسار معظم الأشعة الكونية، التي تقع عند الطرف المنخفض إلى المتوسط من طيف الطاقة. حتى الأشعة الكونية عالية الطاقة يتم تشويهها بواسطة خلفية الموجات الميكروية. الجسيمات التي تحمل طاقة Oh-My-God وAmaterasu غير منحنية نسبيًا في الفضاء بين المجرات. فقط أقوى الظواهر السماوية يمكنها إنتاجها.
وقال ماثيوز: “الأشياء التي يعتقد الناس أنها نشطة، مثل المستعر الأعظم، ليست نشطة بما يكفي للقيام بذلك. أنت بحاجة إلى الكثير من الطاقة، وفي الحقيقة الكثير من المجالات المغناطيسية، للتحكم في الجسيم أثناء تسارعه”.
سر الأشعة الكونية فائقة الطاقة
يجب أن تكون الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية جدًا أكبر من 5 × 1019 إي.في. وهذا يعني أن الجسيم دون الذري لديه نفس الطاقة الحركية التي تتمتع بها الكرة السريعة التي يلعبها أحد لاعبي الدوري الرئيسي، وطاقة أكبر بملايين المرات مما يمكن أن يحققه أي مسرع جسيمات من صنع الإنسان. قام علماء الفيزياء الفلكية بحساب هذا الحد النظري، المعروف باسم قطع جريسين-ساتزيبين-كوزمين (GZK)، لأنه الحد الأقصى للطاقة التي يمكن للبروتون أن يسافر بها لأطول مسافة قبل أن تكتسب تفاعلات إشعاع الخلفية الميكروي طاقتها. تقع المصادر المعروفة المرشحة، مثل نوى المجرة النشطة أو الثقوب السوداء ذات الأقراص التراكمية التي تنبعث منها نفاثات الجسيمات، على بعد 160 مليون سنة ضوئية من الأرض. الجسيم الجديد هو 2.4 × 1020 فولت وجسيمات 3.2 × 10 يا إلهي20 فولت يتجاوز بسهولة القطع.
يقوم الباحثون بفحص تكوين الأشعة الكونية بحثًا عن أدلة حول أصلها. الجسيمات الأثقل، مثل نوى الحديد، تكون أثقل وأكثر شحنًا وأكثر قدرة على الانحناء في المجال المغناطيسي من الجسيمات الأخف المصنوعة من بروتونات الهيدروجين. ذرة. قد يكون الجسيم الجديد بروتونًا. وهو شعاع كوني ذو طاقات تتجاوز قطع GZK في فيزياء الجسيمات، وخلفية الموجات الميكروية قوية بما يكفي لتشويه مساره، لكن مساره يشير إلى الفضاء الفارغ.
قال بيلز: “ربما تكون المجالات المغناطيسية أقوى مما كنا نعتقد، لكن هذا لا يتفق مع الملاحظات الأخرى التي تظهر أنها ليست قوية بما يكفي لإنتاج انحناء كبير عند طاقات 10 إلى 20 إلكترون فولت”. “إنه لغز حقيقي.”
توسيع مجموعة البحث والتلسكوب
ال مصفوفة تلسكوبية إنه في وضع فريد للكشف عن الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية جدًا. ويبلغ ارتفاعها حوالي 1200 متر (4000 قدم)، وهو ارتفاع البقعة الحلوة حيث تسمح الجسيمات الثانوية بأقصى قدر من النمو، ولكن قبل أن تبدأ في الاضمحلال. ويوفر موقعها في صحراء يوتا الغربية ظروفًا جوية مثالية بطريقتين: الهواء الجاف مهم لأن الرطوبة تمتص الأشعة فوق البنفسجية اللازمة للكشف؛ والسماء المظلمة في المنطقة ضرورية لأن التلوث الضوئي يسبب الكثير من الضوضاء ويحجب الأشعة الكونية.
لا يزال علماء الفيزياء الفلكية في حيرة من أمرهم بسبب هذه الظاهرة الغامضة. مجموعة التلسكوب في منتصف عملية التوسيع التي يأملون أن تساعد في حل هذه القضية. عند اكتماله، سيتم إنشاء 500 كاشف وامض جديد لتوسيع مجموعة التلسكوب، وقياس زخات الجسيمات الناجمة عن الأشعة الكونية إلى 2900 كيلومتر.2 (1100 ميل2 ) بحجم ولاية رود آيلاند تقريبًا. تلتقط مساحة أكبر المزيد من الأحداث التي تلقي الضوء على ما يجري.
تعرف على المزيد حول هذا الاكتشاف:
المرجع: “الأشعة الكونية الأكثر نشاطًا التي تم رصدها بواسطة مصفوفة الكشف السطحي” 23 نوفمبر 2023، علوم.
دوى: 10.1126/science.abo5095
