الأشعة الكونية: أسرع المسافرين في الكون

تبدو الأشعة الكونية وكأنها نوع من خطر الخيال العلمي من الفضاء الخارجي. اتضح أنه بكميات عالية بما فيه الكفاية. من ناحية أخرى ، تمر الأشعة الكونية عبرنا كل يوم دون أن تفعل الكثير (إن وجد أي ضرر). إذن ، ما هي هذه القطع الغامضة من الطاقة الكونية؟

يشير مصطلح "الأشعة الكونية" إلى الجسيمات عالية السرعة التي تجوب الكون. انهم في كل مكان. هناك احتمالات جيدة جدًا أن الأشعة الكونية قد مرت عبر جسد الجميع في وقت أو آخر ، خاصةً إذا كانوا يعيشون على ارتفاع عالٍ أو طاروا في طائرة. إن الأرض محمية جيدًا من جميع هذه الأشعة إلا أنها أكثر نشاطًا ، لذا فهي لا تشكل خطرًا علينا في حياتنا اليومية.

توفر الأشعة الكونية أدلة رائعة على الأشياء والأحداث في أماكن أخرى من الكون ، مثل موت النجوم الضخمة (تسمى انفجارات السوبرنوفا) والنشاط على الشمس ، لذلك يدرسها علماء الفلك باستخدام بالونات عالية الارتفاع وأدوات فضائية. يوفر هذا البحث رؤية جديدة مثيرة حول أصول وتطور النجوم والمجرات في الكون.

الأشعة الكونية هي جسيمات عالية الطاقة مشحونة للغاية (عادة بروتونات) تتحرك عند حوالي سرعة الضوء. يأتي البعض من الشمس (على شكل جزيئات طاقة شمسية) ، في حين يتم طرد البعض الآخر من انفجارات السوبرنوفا وغيرها من الأحداث النشطة في الفضاء بين النجوم (وبين المجرات). عندما تتصادم الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تنتج زخات مطرقة لما يسمى "الجسيمات الثانوية".

إن وجود الأشعة الكونية معروف منذ أكثر من قرن. تم العثور عليهم لأول مرة من قبل الفيزيائي فيكتور هيس. أطلق مقاييس كهربائية عالية الدقة على متن بالونات الطقس في عام 1912 لقياس معدل التأين للذرات (أي مدى سرعة ومدى تنشيط الذرات) في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض. ما اكتشفه هو أن معدل التأين كان أكبر بكثير كلما ارتفع ارتفاعك في الغلاف الجوي - وهو اكتشاف فاز في وقت لاحق بجائزة نوبل.

طار هذا في وجه الحكمة التقليدية. كانت غريزته الأولى حول كيفية تفسير ذلك هي أن بعض الظواهر الشمسية تخلق هذا التأثير. ومع ذلك ، بعد تكرار تجاربه خلال كسوف الشمس القريب حصل على نفس النتائج ، مستبعدًا بشكل فعال أي أصل شمسي لـ ، لذلك ، خلص إلى أنه يجب أن يكون هناك مجال كهربائي جوهري في الغلاف الجوي يخلق التأين المرصود ، على الرغم من أنه لم يستطع استنتاج ما هو مصدر الحقل سيكون.

مر أكثر من عقد من الزمن قبل أن يتمكن الفيزيائي روبرت ميليكان من إثبات أن المجال الكهربائي في الغلاف الجوي الذي لاحظه هيس كان بدلاً من ذلك تدفقًا من الفوتونات والإلكترونات. أطلق على هذه الظاهرة اسم "الأشعة الكونية" وتدفقوا عبر الغلاف الجوي. كما قرر أن هذه الجسيمات لم تكن من الأرض أو البيئة القريبة من الأرض ، بل جاءت من الفضاء العميق. كان التحدي التالي هو معرفة العمليات أو الأشياء التي كان من الممكن أن تخلقها.

منذ ذلك الوقت ، واصل العلماء استخدام البالونات عالية التحليق للارتفاع فوق الغلاف الجوي وعينة المزيد من هذه الجسيمات عالية السرعة. تعد المنطقة الواقعة فوق القطب الجنوبي في القطب الجنوبي نقطة انطلاق مفضلة ، وقد جمع عدد من البعثات مزيدًا من المعلومات حول الأشعة الكونية. هناك ، يوجد بالمنشأة الوطنية للبالونات العلمية عدد من الرحلات المحملة بالأجهزة كل عام. تقيس "عدادات الأشعة الكونية" التي تحملها طاقة الأشعة الكونية ، وكذلك اتجاهاتها وشدتها.

ال محطة الفضاء الدوليةيحتوي أيضًا على أدوات تدرس خصائص الأشعة الكونية ، بما في ذلك تجربة الطاقة الكونية والحيوية (CREAM). تم تركيبه في عام 2017 ، ولديه مهمة مدتها ثلاث سنوات لجمع أكبر قدر ممكن من البيانات حول هذه الجسيمات سريعة الحركة. بدأت CREAM في الواقع كتجربة بالون ، وحلقت سبع مرات بين عامي 2004 و 2016.

لأن الأشعة الكونية تتكون من جسيمات مشحونة يمكن تغيير مساراتها بواسطة أي مجال مغناطيسي تتلامس معه. بطبيعة الحال ، تحتوي الأجسام مثل النجوم والكواكب على مجالات مغناطيسية ، ولكن توجد أيضًا حقول مغناطيسية بين النجوم. وهذا يجعل التنبؤ بمكان (ومدى قوة) المجالات المغناطيسية أمرًا صعبًا للغاية. وبما أن هذه المجالات المغناطيسية تستمر في كل مكان ، فإنها تظهر في كل اتجاه. لذلك ، ليس من المستغرب أنه من وجهة نظرنا هنا على الأرض ، يبدو أن الأشعة الكونية لا يبدو أنها تصل من أي نقطة في الفضاء.

ثبت أن تحديد مصدر الأشعة الكونية أمر صعب لسنوات عديدة. ومع ذلك ، هناك بعض الافتراضات التي يمكن افتراضها. بادئ ذي بدء ، فإن طبيعة الأشعة الكونية كجسيمات مشحونة ذات طاقة عالية للغاية تعني أنها تنتجها أنشطة قوية إلى حد ما. لذلك يبدو أن الأحداث مثل المستعرات الأعظمية أو المناطق حول الثقوب السوداء مرشحة على الأرجح. الشمس تنبعث منها شيئًا مشابهًا للأشعة الكونية على شكل جسيمات عالية الطاقة.

في عام 1949 اقترح الفيزيائي إنريكو فيرمي أن الأشعة الكونية هي ببساطة جسيمات تسارعها المجالات المغناطيسية في سحب الغاز بين النجوم. وبما أنك بحاجة إلى حقل كبير إلى حد ما لإنشاء أشعة كونية عالية الطاقة ، بدأ العلماء ينظرون إلى بقايا السوبرنوفا (والأجسام الكبيرة الأخرى في الفضاء) كمصدر محتمل.

في يونيو 2008 أطلقت وكالة ناسا أ تلسكوب أشعة غاما المعروف باسم فيرمي - اسمه ل Enrico Fermi. في حين فيرمي هو تلسكوب أشعة غاما ، وكان أحد أهدافه العلمية الرئيسية تحديد أصول الأشعة الكونية. إلى جانب دراسات أخرى للأشعة الكونية بواسطة البالونات والأدوات الفضائية ، يتطلع الفلكيون الآن إلى بقايا السوبرنوفا ، والأشياء الغريبة مثل الثقوب السوداء الهائلة كمصادر للأشعة الكونية الأكثر نشاطًا المكتشفة هنا على أرض.

• تأتي الأشعة الكونية من جميع أنحاء الكون ويمكن أن تولدها أحداث مثل انفجارات السوبرنوفا.
• تتولد جسيمات عالية السرعة أيضًا في أحداث حيوية أخرى مثل أنشطة الكوازار.
• ترسل الشمس أيضًا أشعة كونية في شكلها أو جزيئات طاقة شمسية.
• يمكن الكشف عن الأشعة الكونية على الأرض بطرق مختلفة. بعض المتاحف لديها كاشفات أشعة كونية كمعروضات.

• "التعرض للأشعة الكونية." النشاط الإشعاعي: اليود 131، www.radioactivity.eu.com/site/pages/Dose_Cosmic.htm.
• وكالة ناسا، ناسا ، imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/cosmic_rays1.html.
• RSS، www.ep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber/text2h.html.

تم التعديل والتحديث بواسطة كارولين كولينز بيترسن.