کشف منبع شتاب دهنده ی اشعه های فضایی کهکشانی با سطح بی سابقه ای از انرژی در مرکز راه شیری

برای بیش از ده سال رصدخانه ی H.E.S.S نامیبیا که با همکاری بین المللی 42 موسسه از 12 کشور اداره می شود مرکز کهکشان ما که اشعه های گامای بسیار پر انرژی دارد نقشه برداری کرده است.

این اشعه های گاما توسط اشعه های فضایی از داخلی ترین نقاط کهکشان تولید می گردند. تحلیل دقیق آخرین داده های H.E.S.S برای اولین بار منبع این اشعه های فضایی را (با میزان انرژی ای که تا به حال در کهکشان راه شیری مشاهده نشده) مشخص ساخته است. این منبع سیاهچاله ای فوق العاده حجیم است که در مرکز کهکشان قرار گرفته و می تواند صد برابر بیش از قویترین شتاب دهنده های ذره ی زمین به اشعه های فضایی شتاب داده و انرژی بخشد.

مرکز کهکشان ما محل اشیاء زیادیست که توان تولید اشعه های کیهانی پر انرژی دارند. از جمله ی این اشیاء باقیمانده های یک ابرنواختر، یک سحابی بادی پالسار و یک خوشه ی فشرده محتوی ستاره های غول پیکر هستند.

برای بیش از ده سال رصدخانه ی H.E.S.S نامیبیا که با همکاری بین المللی 42 موسسه از 12 کشور اداره می شود مرکز کهکشان ما که اشعه های گامای بسیار پر انرژی دارد نقشه برداری کرده است. این اشعه های گاما توسط اشعه های فضایی از داخلی ترین نقاط کهکشان تولید می گردند. تحلیل دقیق آخرین داده های H.E.S.S که در 16 مارس 2016 منتشر شده برای اولین بار منبع این اشعه های فضایی را (با میزان انرژی ای که تا به حال در کهکشان راه شیری مشاهده نشده) مشخص ساخته است. این منبع سیاهچاله ای فوق العاده حجیم است که در مرکز کهکشان قرار گرفته و می تواند صد برابر بیش از قویترین شتاب دهنده های ذره ی زمین یعنی شتاب دهنده ی بزرگ ذرات هادرون مستقر در گروه تحقیقات هسته ای CERN اروپا به اشعه های فضایی شتاب داده و انرژی بخشد.

زمین بطور مداوم با ذرات پر انرژی با منشاء کیهانی بمباران می شود (پروتونها، الکترونها و هسته های اتمها). این ذرات را اشعه های کیهانی می خوانند. اشعه های کیهانی بار الکتریکی داشته و نتیجتاً توسط میدانهای مغناطیسی بین ستاره ای که در کهکشان ما فراوانند منحرف می گردند. مسیر این اشعه ها در کیهان بواسطه ی این منحرف کننده ها بطور تصادفی تغییر می کند و به همین علت شناخت منشاء فیزیکی-نجومی که باعث تولیدشان شده بصورت مستقیم امکان پذیر نیست. به همین دلیل بیش از صد سال است که منشاء اشعه های کیهانی یکی از اسرار دیرپای فضا باقی مانده است.

خوشبختانه اشعه های فضایی با نور و گاز در همسایگی منبعشان واکنش نشان می دهند و اشعه های گاما تولید می کنند. این اشعه های گاما در مسیر مستقیم حرکت می کنند، توسط میدانهای مغناطیسی منحرف نمی شوند و به همین دلیل میتوان آنرا را ردیابی کرد. زمانیکه یک اشعه ی بسیار پر انرژی گاما به زمین می رسد با ملکولی در بخش فوقانی جو تعامل کرده و بارشی از ذرات ثانویه تولید می کند که این ذرات هم پالسی کوتاه از نوع نور چرنکوف منتشر می سازند.

با آشکار سازی این تلالوهای نور توسط تلسکوپهایی که با آینه های بزرگی مجهز شده اند، آشکارسازهای نور حساس و ذرات سریع الکتریکی بیش از صد منبع اشعه ی گامای بسیار پر انرژی در سه دهه ی اخیر شناسایی شده اند. رصدخانه ی H.E.S.S (سیستم استروسکوپی پر انرژی) نامیبیا آخرین نسل چنین تلسکوپهایی را در خود دارد و توسط 42 موسسه از 12 کشور اداره می شود. موسسات عمده ی همکار در این رصدخانه MPIK شهر هیدلبرگ آلمان،  CEA و CNRS فرانسه هستند.

امروزه میدانیم اشعه های کیهانی با انرژیهایی تا حد 100 ترا الکترون ولت (TeV) در کهکشان ما تولید می شوند. منشاء این انرژیها باقیمانده های ابرنواختر و سحابی بادی پالسار هستند. با این حال اندازه گیری مستقیم و استدلال های نظری اشعه های فضایی که به زمین می رسند نشان می دهند تولید کننده های این اشعه های کهکشان ما میتوانند ذراتی با حداقل یک پتا الکترون ولت (PeV) تولید کنند. با اینکه تعدادی شتاب دهنده ی چند ترا الکترون ولتی در کشهشان راه شیری کشف شده اند تا به حال جستجو برای بزرگترین تولید کننده ی انرژی کیهانی و کهکشانی عقیم مانده است.

رصد دقیق محدوده ی مرکز کهکشان ما که در ده سال اخیر توسط H.E.S.S به انجام رسیده و 16 مارس در نشریه نیچر چاپ شده بالاخره نشانه هایی مستقیم برای شتاب دهنده ای در حد پتا الکترون ولت را ارائه داده است. در سه سال اول رصد و تحقیق، H.E.S.S یک منبع اشعه ی گامای بسیار پر قدرت را در مرکز کهکشان یافت. همچنین اشعه گامای پرقدرتی پیدا شد که سحابی های ملکولی غول پیکری در فاصله ی 500 سال نوری از زمین آن را احاطه کرده بود. این سحابی های ملکولی با اشعه های فضایی با سرعتی نزدیک سرعت نور بمباران می شوند و از برخورد این دو اشعه های گاما تولید می شوند. انطباق فضایی دقیق بین اشعه های گامای تولید شده و چگالی سحابی ها نشان دهنده ی یک یا تعداد بیشتری شتاب دهنده ی اشعه های فضایی در منطقه است اما طبیعت این منشاء ناشناخته است.

رصد های دقیقتری که بین سالهای 2004 تا 2013 توسط H.E.S.S انجام شد سایه ابهام را از فرآیندهایی که به اشعه های فضایی نیرو می دهند تا حدی زدود. طبق اعلام آیون ویانا از MPIK هایدلبرگ: ” میزان بی سابقه ی داده ها و پیشرفتهایی که در زمینه ی روشهای تحلیل صورت گرفته به ما امکان اندازه گیری همزمان توزیع فضایی و انرژی اشعه های کیهانی را می دهد”. با یاری این اندازه گیریها دانشمندان H.E.S.S برای نخستین بار توانستند منبع این ذرات را مشخص سازند. امانوئل مولین از موسسه ی CEA در این مورد می گوید: ” جایی در فاصله ی 33 سال نوری از مرکز کهکشان راه شیری منبع فضایی-فیزیکی وجود دارد که توانسته تا به حال بطور مستمر برای لااقل 1000 سال  پروتونها را به سطح انرژی یک پتا الکترون ولت برساند”. در قیاس با نخستین شتاب دهنده ی ساخته ی بشر که تواترون نام گرفت و میتوانست به یک ترا الکترون ولت انرژی برسد نام این کلاس جدید شتاب دهنده های فضایی را پواترون نامیده اند. استفانو گابیچی از موسسه ی CNRS پاریس می گوید: “با داشتن H.E.S.S میتوانیم انتشار پروتونهای در سطح انرژی پتا الکترون ولت را در مرکز کهکشانمان ردیابی کنیم”.

مرکز کهکشان ما محل اشیاء زیادیست که توان تولید اشعه های کیهانی پر انرژی دارند. از جمله ی این اشیاء باقیمانده های یک ابرنواختر، یک سحابی بادی پالسار و یک خوشه ی فشرده محتوی ستاره های غول پیکر هستند. با این وجود به گفته ی فلیکس آهارونیان از MPIK هایدلبرگ و DIAS دوبلین سیاه چاله ی بسیار حجیمی  که در مرکز کهکشان ماست و به آن sgr A* می گویند محتمل ترین منشاء پروتون های پتا الکترون ولت است. آهارونیان ادامه می دهد: “مناطق شتاب دهنده ی متعددی را میتوان مورد نظر قرار داد چه در مجاورت سیاه چاله و چه دورتر، یعنی جایی که ماده ای که درون سیاه چاله کشیده شده بوده دوباره به محیط برگشته و توان شتاب دادن به ذرات را یافته است.”

از اندازه گیریهای H.E.S.S راجع به انتشار اشعه های گاما میتوان طیف پروتونهایی که توسط مرکز سیاه چاله شتاب داده شده اند را یافت و به این نتیجه رسید که sgr A* احتمالاً همان چیزیست که به پروتونها انرژی پتا الکترون ولتی می دهد.  در حال حاضر این پروتونها را نمیتوان تنها منابع اشعه های کیهانی کشف شده در زمین دانست. دانشمندان اعتقاد دارند اگر سیاه چاله ی مرکز کهکشان ما در گذشته فعالتر از چیزی که تصور میکنیم بوده میتوانیم آن را مسئول عمده اشعه های فضایی کهکشانی امروز زمین بدانیم. اگر این موضوع صحیح باشد تاثیر فوق العاده ای بر بحث قدیمی در مورد منشاء این ذرات پر رمز و راز خواهد داشت.

منبع: Science Daily