دانشمندان برای بررسی راز پرتوهای گامای گمشده، «گوی‌های آتشین» کیهانی را بازسازی می‌کنند

دانشمندان برای بررسی راز پرتوهای گامای گمشده، «گوی‌های آتشین» کیهانی را در آزمایشگاه بازسازی کردند

راز پرتوهای گامای گمشده مدت‌هاست یکی از معماهای بزرگ اخترفیزیک است. تیمی بین‌المللی به سرپرستی دانشگاه آکسفورد با شبیه‌سازی «گوی‌های آتشین» پلاسما در تأسیسات HiRadMat در سرن (CERN) گامی مهم در جهت حل این معما برداشتند. این مطالعه که در PNAS منتشر شده، نشان می‌دهد برخی فرضیات قدیمی دربارهٔ ناپدید شدن تابش‌های گامای کم‌انرژی (GeV) نیاز به بازبینی دارند.

مختصری درباره مسئله: از بلزارها تا پرتوهای گم‌شده

بلزارها که کهکشان‌های فعال با سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده پرجرم هستند، جت‌های باریکی از ذرات و تابش را با سرعت نزدیک به نور روانه فضا می‌کنند. این جت‌ها پرتوهای گاما با انرژی‌های تا چند تِراالکترون‌ولت (TeV = 10^12 eV) تولید می‌کنند. وقتی این پرتوهای TeV در مسیر بین‌کهکشانی با نور ضعیف پس‌زمینه برخورد می‌کنند، آبشاری از زوج‌های الکترون–پوزیترون تولید می‌شود که انتظار می‌رود با انتشار دوباره روی تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB) پرتوهای GeV ایجاد کنند. اما تلسکوپ‌های فضایی مثل فِرمی این پرتوهای GeV را نمی‌بینند؛ همین پرسش «راز پرتوهای گامای گمشده» را پدید آورده است.

دو فرضیه اصلی و رویکرد آزمایشی

دو توضیح عمده پیشنهاد شده است:

• وجود میدان‌های مغناطیسی ضعیف بین‌کهکشانی که زوج‌ها را منحرف کرده و تابش GeV را از دید ما خارج می‌کنند.
• بی‌ثباتی‌های پرتو–پلاسمایی که انرژیِ جت را در فضا پخش و تابش ثانویه را سرکوب می‌کنند.

برای آزمایش این ایده‌ها، پژوهشگران در HiRadMat با استفاده از شتاب‌دهنده Super Proton Synchrotron زوج‌های الکترون–پوزیترون ساختند و آن‌ها را از میان یک پلاسمای محیطی به طول حدود یک متر عبور دادند. این روش یک مدل مقیاس‌شده از آبشار زوج‌های تولیدشده توسط بلزارها در محیط بین‌کهکشانی فراهم می‌کند.

نتایج کلیدی آزمایش و تفسیر آنها

نتیجه آزمایش غیرمنتظره بود: پرتو زوج‌ها باریک و به موازات باقی ماند و نشانهٔ قابل‌توجهی از بی‌ثباتی یا میدان‌های مغناطیسی خودساخته مشاهده نشد. با تعمیم این نتایج به مقیاس‌های اخترفیزیکی، پژوهشگران نتیجه گرفتند که بی‌ثباتی‌های پرتو–پلاسمایی به تنهایی قادر به توضیح غیبت پرتوهای GeV نیستند. این یافته حمایت قوی‌تری از فرضیه وجود میدان‌های مغناطیسی ضعیف بین‌کهکشانی می‌کند؛ میدان‌هایی که احتمالاً بقایای دوره‌های اولیهٔ کیهان‌اند.

پیامدها برای کیهان‌شناسی و فیزیک بنیادی

وجود میدان‌های بین‌کهکشانیِ با منشاء اولیه، سؤالات جدیدی دربارهٔ نحوهٔ پدیدآمدن آنها در دوران بسیار همگنِ نخستین کیهان مطرح می‌کند. پژوهشگران اشاره می‌کنند که توضیح این بذرهای مغناطیسی ممکن است به فیزیک فراتر از مدل استاندارد ذرات نیاز داشته باشد. از سوی دیگر، تلسکوپ‌های آینده مانند رصدخانه CTAO می‌توانند با داده‌های با وضوح بالاتر این فرضیه‌ها را دقیق‌تر بسنجند.

چرا این خبر برای دانشجویان و پژوهشگران مهم است؟

این نوع همکاری‌های بین‌رشته‌ای (فیزیک آزمایشگاهی، شبیه‌سازی عددی و مشاهدات اخترفیزیکی) نمونهٔ روشنی از فرصت‌های پژوهشی در دانشگاه‌ها و مؤسسات بین‌المللی است. دانشجویانی که به فیزیکِ پلاسما، اخترفیزیک یا فیزیک ذرات علاقه‌مندند، می‌توانند مسیرهای تحقیقاتی جذابی دنبال کنند. برای ادامهٔ تحصیل در این حوزه‌ها، مقصدهایی مانند دانشگاه‌های بریتانیا گزینه‌های مناسبی هستند و اطلاعات دربارهٔ تحصیل دکتری در انگلستان می‌تواند نقطهٔ شروع خوبی باشد.

خلاصه مقایسه سریع

• فرضیه میدان مغناطیسی بین‌کهکشانی: با نتایج آزمایش سازگار است؛ ممکن است تابش GeV را از دید ما دور کند.
• فرضیه بی‌ثباتی پرتو–پلاسمایی: در آزمایش HiRadMat سرکوب شده و به‌تنهایی توضیح‌ دهندهٔ غیبت پرتوهای GeV نیست.

این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب آزمایش‌های زمینی، شبیه‌سازی‌های عددی و مشاهدات نجومی می‌تواند پاسخ‌های جدیدی به پرسش‌های بنیادین کیهان‌شناسی بدهد.

اگر شما علاقه‌مند به ادامه تحصیلات در رشته‌های مرتبطید، برای انتخاب مقصد و برنامه مناسب می‌توانید از سرویس مشاوره اپلای استفاده کنید یا دربارهٔ فرصت‌های تحصیل در انگلستان و برنامه‌های دکتری اطلاعات بیشتری کسب کنید.

منبع: ox.ac.uk

علاقه‌مندید به اپلای یا انتخاب دانشگاه مشورت بگیرید؟ از صفحهٔ خدمات مشاوره اپلای بازدید کنید یا اگر دنبال تحصیلات تکمیلی در بریتانیا هستید، راهنمای تحصیل دکتری در انگلستان و صفحهٔ کلی دربارهٔ تحصیل در انگلستان می‌تواند مفید باشد.