ذره‌ای به نام "اوه مای گاد"!

در همین لحظه که دارید این نوشته را می‌خوانید، گلوله‌هایی نادیدنی و ریز دارند دی‌ان‌ای شما را می‌شکافند. این گلوله‌ها به نام پرتوهای کیهانی شناخته می‌شوند ولی به هیچ وجه "پرتو" نیستند- این نام به دلیل یک سو تفاهم تاریخی به آنها داده شده. آنها "ذره" هستند: به طور عمده الکترون و پروتون، ولی گاهی هم چیزهایی سنگین‌تر مانند هسته‌ی هلیوم یا حتی آهن.

قنطورس ای، نزدیک‌ترین هسته‌ی فعال کهکشانی به زمین که از گزینه‌های دانشمندان برای سرچشمه‌ی ذرات اوام‌جی است (منبع عکس)

 این ذرات کیهانی مایه‌ی دردسرند، زیرا: ۱) پرسرعتند، و بنابراین انرژی جنبشی بسیاری برای رفتن به این سو و آن سو دارند. ۲) بار الکتریکی دارند. یعنی می‌توانند نوکلئوتیدهای دی‌ان‌ای بیچاره‌ی ما را بیونند (یونیده کنند)، آنها را از هم بپاشند و گاهی به خطاهای همانندسازی یا تکثیر مهارناپذیر (چیزی که به نام سرطان می‌شناسیم) بیانجامند.

انگار این دردسر بس نبود، بدتر از آن هم هست: هر چند وقت یک بار -تقریبا سالی یک بار در هر کیلومتر مربع- ذره‌ای با سرعتی واقعا دیوانه‌وار به جو بالایی زمین نفوذ می‌کند و با کوبیدن به یک مولکول نیتروژن یا اکسیژن، آبشاری از ذرات دوّمینِ (تانویه‌ی) کم‌انرژی‌تر پدید می‌آورد (اگرچه این ذرت دوّمین انرژی کمتری دارند، ولی همچنان مرگبارند).

تنها واکنشِ درخور به هنگام روبرو شدن با ذره‌ای با چنین توانایی‌های شگرف و نامعمولی اینست: "OMG" (اوه مای گاد، اوه خدای من).

"اوام‌جی" لقبی بود که به نخستین نمونه از چیزی که امروزه به نام پرتوهای کیهانی فرا-پرانرژی می‌شناسیم داده شد. آن ذره در سال ۱۹۹۱ توسط آشکارساز پرتو کیهانیِ فلایز آی (Fly's Eye) در دانشگاه یوتای آمریکا یافته شد. آن تک پروتون با سرعت تقریبا ۹۹.۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۵۱ درصد سرعت نور به جو ما کوبیده شد. نه! این ۹ها نمایشی و برای هیجان‌انگیز کردن ماجرا نیست، آن ذره واقعا همین‌قدر سریع بود. انرژی جنبشی آن در دنیای ذرات هم‌ارز انرژی جنبشی یک توپ بیسبال در دنیای ما بود که با ضربه‌ای محکم و حسابی پرتاب شده باشد.

یعنی انرژی این ذره بیش از ۱۰ میلیون برابر انرژی‌ای بود که نیرومندترین برخورددهنده‌ی ذراتِ امروزی (ال‌اچ‌سی) می‌تواند تولید کند. ذره‌ی اوام‌جی با چنین سرعتی، به دلیل پدیده‌ی نسبیتی فراخِش (اتساع) زمان، از دیدگاه خودش می‌تواند فاصله‌ی ما تا نزدیک‌ترین همسایه‌مان، ستاره‌ی پروکسیما قنطورس را در ۰.۴۳ میلی‌ثانیه بپیماید. در مدت زمانی که این جمله را می‌خوانید (زمان از دیدگاه خودش) هم می‌تواند به مرکز کهکشان راه شیری برسد. به راستی که اون خدای من!

از زمان آشنایی با این ذره تاکنون، به کمک تلسکوپ‌ها و آشکارسازهای ویژه در سرتاسر جهان نمونه‌های آن را جستجو کرده‌ایم. چیزی که در این چند دهه ثبت کرده‌ایم روی هم رفته به صد ذره از رده‌ی اوام‌جی نمی‌رسد.

برای یافتن سرچشمه‌ی آنها، این چند ده نمونه هم آگاهی‌هایی به ما داده‌اند و هم رازشان را پیچیده‌تر کرده‌اند. داده‌های بیشتر همیشه چیز خوبیست، ولی آخر چه چیز لعنتی‌ای به این نیرومندی در کیهان هست که می‌تواند به یک پروتون چنین حالی بدهد که بتواند تقریبا- تقریبا- پا به پای نور بیاید؟

برای رساندن ذره‌ای به یک چنین سرعت سرسام‌آوری باید دو جزء کلیدی داشته باشیم: انرژی فراوان و یک میدان مغناطیسی. میدان مغناطیسی کار انتقال انرژی رویداد به ذره را انجام می‌دهد (برای نمونه، انرژی جنبشی انفجاری یک ابرنواختر یا کشش گرانشی چرخشی ماده‌ای که دارد به سوی یک سیاهچاله فروکشیده می‌شود). جزییات فیزیکی آن طبیعتا بی‌اندازه پیچیده است و به خوبی هم شناخته نشده. سرچشمه‌ی پرتوهای کیهانی بسیار بسیار پیچیده است و در مناطق خشن کیهان جای دارد، بنابراین رسیدن به یک تصویر فیزیکی کامل هدفی دشوارست.

ولی به هر روی می‌توانیم حدس‌هایی منطقی برای جایی که چیزهایی افراطی مانند همین رفیقمان، اوام‌جی از آن می‌آیند بزنیم. نخستین حدسمان می‌تواند ابرنواخترها باشد، مرگ فاجعه‌بار ستارگان بزرگ. میدان مغناطیسی؟ دارد. انرژی فراوان؟ دارد. ولی این انرژی کافی نیست. یک انفجار معمولیِ ستاره توان کافی برای پرت کردن ذرات با سرعتی که مورد نظرماست را ندارد.

خوب، حدس بعدی؟ هسته‌های کهکشانی فعال نامزد قَدَری هستند. هسته‌های کهکشانی فعال زمانی پدید می‌آیند که مواد به درون یک ابرسیاهچاله در مرکز یک کهکشان فروکشیده می‌شوند. در این روند، مواد فشرده شده، دمایشان بالا می‌رود و یک قرص برافزایشی پدید می‌آورند. این دوزخ چرخان مانند یک دینام، شدیدترین میدان‌های مغناطیسی را تولید کرده و نیروی هنگفتی برای پدید آوردن یک فواره از ذرات فراهم می‌کند.

ولی (می‌دانید که اینجا هم باید یک "ولی" در کار باشد)، ولی هسته‌های کهکشانی فعال بسیار دورتر از آنند که پرتوهای کیهانیِ تولید شده‌شان به زمین برسد. یک ذره‌ی پرتوی کیهانی فراپرانرژی با سرعتی که دارد، پیشروی در کیهان برایش بیشتر مانندِ به سختی راه رفتن در یک کولاک است. دلیلش اینست که در چنین سرعتی، تابش زمینه‌ی کیهانی (فوتون‌های کم‌انرژی که از آغاز کیهان به جا مانده‌اند و از همه سوی فضا می‌آیند) از دید آن ذره به شدت دچار آبیگرایی (انتقال به آبی) شده و به انرژی‌های بالاتر می‌رسند. چنین فوتون‌های نیرومندی در مسیر پرتوی کیهانی به آن برخورد کرده، از سرعتش کم کرده و سرانجام آن را متوقف می‌کنند.

بنابراین انتظار نمی‌رود نیرومندترین پرتوهای کیهانی هم بتوانند بیش از ۱۰۰ میلیون سال نوری را بپیمایند- و بیشتر هسته‌های کهکشانی فعال هم که بسیار بسیار دورتر از چنین فاصله‌ای هستند.

"قنطورس ای" که با فاصله‌ای میان ۱۰ تا ۱۵ میلیون سال نوری، یک هسته‌های کهکشانی فعالِ به نسبت نزدیک است، تا مدت‌ها مظنون اصلی ذرات اوه مای گاد بود- یک گزینه‌ی مناسب که میدان مغناطیسی نیرومند دارد و نزدیک هم هست. برخی از کاوشگرها مسیر این ذرات را همان راستای کلی قنطورس ای نشان می‌دادند، ولی هرگز ارتباطِ به اندازه‌ی کافی روشنی که بتواند این کهکشان را از یک متهم به یک محکوم تبدیل کند دیده نشد.

بخشی از مشکل در اینست که میدان مغناطیسی خود کهکشان راه شیری کمی مسیر پرتوهای کیهانی که به این سو می‌آیند را تغییر می‌دهد و ما را در شناسایی مسیر آغازین‌شان گمراه می‌کند. پس برای بازسازی سرچشمه‌ی پرتوهای کیهانی باید مدلی هم از شدت و جهت میدان مغناطیسی کهکشان خودمان پدید بیاوریم- چیزی که شناخت دقیق و کاملی از آن نداریم.

اگر سرچشمه‌ی ذرات اوام‌جی قنطورس ای نباشد پس شاید کهکشان‌های سیفرت باشند، یک زیررده‌ی کهکشانی ویژه از هسته‌های کهکشانی فعال که به طور کلی نزدیک‌ترند و میدان مغناطیسی ضعیف‌تری هم دارند (ولی باز هم بی‌اندازه درخشان و نیرومند هستند). ولی اینجا هم تنها حدود صد نمونه‌‌ای از این ذرات که می‌شناسیم برای یک برآورد آماری درست و بسیار دقیق بسنده نمی‌کند.

شاید سرچشمه‌ی این ذرات انفجارهای پرتو گاما باشد، رویدادهایی که گمان می‌رود دستاورد پایان بسیار سهمگین و شگفت‌آور برخی از افراطی‌ترین ستارگان هستند. و (باورتان می‌شود؟) شناخت ما از فیزیک چنین رویدادی یک جورهایی کلی و طرح‌گونه است.

شاید چیزی نامانوس‌تر باشد، چیزی مانند نقص‌های توپولوژیکی به جا مانده از نخستین لحظه‌های مهبانگ یا برهم‌کنش‌هایی غریب در ماده‌ی تاریک. شاید هم اصلا ما فیزیک ماجرا را بد فهمیده‌ایم و برآوردهای محدودشده در فاصله‌مان دقیق نیستند. شاید، شاید، شاید ...

شناسایی سرچشمه‌ی واقعی این ذرات "اوه مای گاد" فراپرانرژی کاری دشوارست، و با وجود این که حدود ۳۰ سال از شناسایی آنها می‌گذرد هنوز پاسخ‌های استوارِ چندانی برایشان نداریم. ولی خوب است که دستکم چند راز ناگشوده از کیهان برایمان بماند، این به اخترفیزیکدانان هم کمی امنیت شغلی می‌دهد!

--------------------------------------------

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

DNA - cosmic rays - electrons - proton - helium - iron - nuclei - kinetic energy - electrically charged - ionize - nucleotide - replication - cancer - nitrogen - oxygen - molecule - OMG - University of Utah - Fly's Eye cosmic ray detector - speed of light - baseball - particle collider - LHC - relativistic time dilation - star - Proxima Centauri - galactic core - magnetic field - supernova - black hole - active galactic nuclei - supermassive black hole - galaxy - accretion disk - dynamo - blizzard - cosmic microwave background - photon - blueshift - Centaurus A - Milky Way - Seyfert galaxy - gamma-ray burst - topological defect - Big Bang - dark matter -

منبع: Space.com

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان - با سپاس از: مهران مرتضایی عزیز