كوكبنا يتعرض لقصف مستمر من الإشعاعمن الفضاء.
حسنًا، ربما لا يكون الأمر مخيفًا كما يبدو. “الإشعاع” هو مصطلح شامل يستخدمه علماء الفلك لأشكال الضوء – بما في ذلك الضوء المرئي، وهو النوع الذي نراه – وأيضًا للجسيمات دون الذرية التي تتسلل عبر الفضاء. نحن لا نفكر عادة في مثل هذه الجسيمات على أنها “أشعة” -أشعة كونية على وجه الدقة- ولكننا لا نزال نستخدم هذه التسمية بسبب القصور الذاتي اللغوي.
بعض الأشعة الكونية تأتي من الشمس، وبعضها من مكان آخر في مجرتنا درب التبانة، والبعض الآخر، يسمى الأشعة الكونية خارج المجرة، تتتبع أصولها عبر مسافات شاسعة إلى مجرات أخرى.
حول دعم الصحافة العلمية
إذا كنت تستمتع بهذا المقال، فكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.
هذه فكرة رائعة، في الواقع: الأرض تتعرض للضرب بشكل روتيني بالجسيمات من المجرات الأخرى. إنها رحلة طويلة – رحلة عشرات الملايين من السنين الضوئية، وأحيانًا أكثر، تنتهي عندما يمتص غلافنا الجوي أحد هذه الأشعة الضالة دون ضرر، عاليًا فوق رؤوسنا.
تأتي هذه الجسيمات بنطاق واسع من السرعات، وهذا بدوره يمنحها نطاقًا واسعًا من الطاقة الحركية، وهي طاقة الحركة. في عالمنا المجهري، نستخدم وحدة مثل الجول لقياس الطاقة، والتي لا تزال صغيرة إلى حد ما. (يستغرق الأمر حوالي أربعة جول لرفع سنتيمتر مكعب من الماء درجة مئوية واحدة). ومع ذلك، يستخدم فيزيائيو الجسيمات وحدة أصغر بكثير تسمى إلكترون فولت (أو eV). يستغرق الأمر 26 مليون تريليون منهم لتسخين نفس الكمية من الماء! وهذه وحدة أكثر ملاءمة للجسيمات، في معظم الأوقات. لكن الأشعة الكونية تتحرك بسرعة كبيرة – قريبة من سرعة الضوء – بحيث يمكن أن يكون لها جداً طاقة حركية عالية، تصل بسهولة إلى مستوى ميجا إلكترون فولت (MeV) و جيجا إلكترون فولت (GeV).
ما زلت لن تشعر به إذا أصابك أحد هذه الأشياء. لكن من المثير للصدمة أن بعض الأشعة الكونية لها مسافة بعيدة، بعيد طاقات أعلى من هذه.
في عام 1991، اكتشف كاشف Fly's Eye، الذي كان يراقب السماء بحثًا عن التوهج الناجم عن الجسيمات النشطة التي تصطدم بغلافنا الجوي، وميضًا ضخمًا للغاية لدرجة أنه يتحدى الاعتقاد: كانت طاقة الأشعة الكونية التي أطلقتها تبلغ 320 كوينتيليون فولت، أو 320. مليار جيف. وهذا يعادل ملايين المرات من الطاقة الحركية للبروتونات التي يمكننا تدويرها في أقوى مسرعات الجسيمات لدينا. إنه نشيط للغاية، في الواقع، لدرجة أن لديه في الواقع مكافئًا عيانيًا لائقًا: يحمل هذا الشعاع الكوني 51 جول من الطاقة الحركية، وهو ما يعادل تقريبًا كرة منحنى بطيئة – لكن هذه الطاقة جاءت من جسيم دون ذري واحد.
لقد أُطلق عليه اسم جسيم “يا إلهي”، وهو يجعل الشعر الموجود في مؤخرة رقبتي يقف.
لماذا؟ نظرًا لأن البروتونات صغيرة بشكل غير مفهوم تقريبًا، على سبيل القياس، فإن حجم البروتون مقارنة بحجم البرتقالة هو تقريبًا نفس حجم البرتقالة مقارنة بحجم البرتقالة. قطر مدار نبتون حول الشمس.
جسيم OMG هو لغز كبير. لسبب واحد، لكي تحصل على هذا القدر من الطاقة، لا بد أنها كانت تسافر بشكل لا يصدق سريع نسبة إلى الأرض. وبافتراض أنه بروتون، فإنه كان يتحرك بسرعة 99.999999999999999999995 في المئة من سرعة الضوء. إذا كان الفوتون وجسيم OMG في سباق منذ تشكل الكون لأول مرة، فسيكون الجسيم الآن على بعد حوالي 600 متر فقط.
إذًا ما الذي يمكن أن يدفع جسيمًا كهذا إلى هذه السرعات العالية بشكل يبعث على السخرية؟ الجواب قد يصدمك
هذا ليس طعمًا للنقر: موجات الصدمة، وتحديدًا في الهياكل عالية الطاقة بشكل كارثي مثل الحزم المركزة من المادة والطاقة المتدفقة من ثقب أسود هائل. يتحرك الغاز المتأين بسرعة إلى الخارج من مثل هذه الأحداث ويحمل معه مجالات مغناطيسية قوية للغاية. وتتسارع الجسيمات دون الذرية المشحونة (مثل البروتونات، التي تحمل شحنة كهربائية موجبة) عند تحركها عبر هذه المجالات، إلى سرعة عالية أحيانًا. لكن إذا اصطدم الغاز بسحب غازية أخرى، يمكن للجسيمات دون الذرية أن تتأرجح فيما بينها، وتكتسب الطاقة في كل مرة ترتد فيها. (وهذا ما يسمى تسارع فيرمي من الدرجة الأولى، وهو مصطلح أحبه بسببه ستار تريك– مثل الإيقاع.) يمكن أن يصبحوا نشيطين للغاية بحيث يتم قذفهم مثل صخرة من المنجنيق.
ومع ذلك، فإن جعل الجسيمات أبطأ من الضوء نفسه بمقدار فمتومتر في الثانية هو أمر استثنائي، وليس من الواضح ما هي العمليات المحددة التي تنطوي عليها. لا توجد مصادر معروفة قادرة على القيام بذلك في مجرة درب التبانة، لذلك من المحتمل جدًا أن جسيم OMG جاء من مجرة أخرى. ثاني أعلى شعاع كوني من حيث الطاقة على الإطلاق، الملقب بـ Amaterasu على اسم آلهة الشمس في الشنتو، تبلغ طاقته 244 كوينتيليون إلكترون فولت، ويبدو أنه جاء من رقعة من السماء تتداخل مع المجرة PKS 1717+177، المعروفة بامتلاكها نفاثات قوية للغاية تنطلق من ثقبها الأسود المركزي. وقد ارتبط العديد من المجرات الأخرى أيضًا بالمجرات النشطة الأخرى.
وهناك المزيد من الغموض على قدم وساق. إن سرعة جسيم OMG تنتهك في الواقع القاعدة الكونية الأساسية التي يستخدمها علماء الفيزياء الفلكية الجزيئية. يمتلئ الكون بالإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير والذي يسمى الخلفية الكونية الميكروية. هذه أشياء منخفضة الطاقة جدًا، على افتراض أنك لا تتحرك بسرعة مقارنة بها.
لكن الجسيم الذي يتحرك بالقرب من سرعة الضوء سيرى أن الإشعاع القادم من أمامه يتضخم بشكل كبير في الطاقة بسبب إزاحة دوبلر، وعند هذه السرعات، يعمل هذا التأثير على مستوى متطرف يبعث على السخرية. البروتون الذي يتعرض لمثل هذه الفوتونات عالية الطاقة يجب أن يفقد الطاقة، مما يؤدي إلى إبطائه، لذلك عند السرعة العالية جدًا يتباطأ بسرعة. هناك قطع أكثر صرامة. إذا كانت الفوتونات التي تراها نشطة بما فيه الكفاية، فسيتم تحويل البروتون إلى جسيمين دون ذريين آخرين، نيوترون وبيون. يتحلل كلا هذين الجزيئين بسرعة إلى جسيمات أكثر، لذلك في النهاية، يجب ألا تصل إلينا البروتونات ذات الطاقة الفائقة (أكثر من 50 كوينتيليون إلكترون فولت) القادمة من المجرات البعيدة.
فكيف وصل جسيم OMG إلى هنا؟
قد يكون الجواب ببساطة أنه لم يكن بروتونًا. الأشعة الكونية عبارة عن مزيج من الجسيمات دون الذرية المختلفة، بما في ذلك نوى الهيليوم (بروتونان ونيوترونان مرتبطان ببعضهما البعض) أو حتى عناصر أثقل. لن تتأثر النواة الحديدية، وهي السبب الشائع للأشعة الكونية، بنفس الطريقة التي يتأثر بها البروتون، ويمكنها القيام بهذه الرحلة الطويلة إلى الأرض.
يعد جسيم OMG أعلى أشعة كونية طاقة تم اكتشافها على الإطلاق، ولكن تم رؤية العديد من الأشعة الكونية الأخرى ذات طاقات أقل إلى حد ما ولكنها لا تزال مذهلة. من الواضح أن الكون ليس لديه مشكلة في صنعها، حتى لو كانت نادرة.
إلى جانب الجانب المرح منهم، فإنهم يخبروننا أيضًا بشيء مهم عن الكون. هناك محركات ذات قوة هائلة، قادرة على إنتاج جسيمات ذات طاقة أكبر بكثير مما يمكن أن نأمله على الأرض. كانت مثل هذه الطاقات شائعة، بل ومنتشرة في كل مكان، في بداية الكون، لذا فإن العثور على جسيمات مثل هذه يشبه وجود نافذة على جزء من الثانية بعد الانفجار الأعظم.
يعلمنا الكون عن نفسه، وكل ما علينا فعله هو الاهتمام بالأشياء الصغيرة.
التعليقات