معمای پرتوهای کیهانی حل شد؛ دانشمندان ارتباط شکل‌گیری «کنی» را به سیاهچاله‌ها پیوند دادند
از آکادمی علوم چین
نتایج مهمی که توسط رصدخانهٔ بزرگ‌شور هوایی ارتفاع‌بالا (LHAASO) در ۱۶ نوامبر منتشر شد، راز چنددهه‌ای مربوط به طیف انرژی پرتوهای کیهانی را حل کردند — طیفی که در بازهٔ بالای ۳ PeV کاهش شدیدی نشان می‌دهد و شکل «کنی» نامعمولی به خود می‌گیرد.
دلیل پیدایشتن «کنی» پس از کشف آن حدود هفتاد سال پیش واضح نبوده است. دانشمندان گمان می‌کردند که این پدیده به حداکثر سرعت‌سازهای نجومی منبع پرتوهای کیهانی مرتبط است و نشان‌دهندهٔ انتقال طیف انرژی پرتوهای کیهانی از یک توزیع قانون توان به دیگری می‌باشد.
اما اکنون، دو مطالعهٔ اخیر — که به‌توالی در National Science Review و Science Bulletin منتشر شده‌اند — نشان می‌دهند که میکرو‑کوازارهایی که توسط جلب ماده توسط سیستم سیاهچاله فعال می‌شوند، شتاب‌دهنده‌های قدرتمند ذرات در کهکشان راه شیری هستند و به‌احتمال زیاد منبع «کنی» می‌باشند. این مطالعات همچنین درک ما از فرآیندهای فیزیکی شدید سیستم‌های سیاهچاله را پیش می‌برند.
این پژوهش توسط پژوهشگران مؤسسهٔ فیزیک انرژی بالا آکادمی چین (CAS)، دانشگاه نانجینگ، دانشگاه علم و فناوری چین (CAS)، دانشگاه لا ساپینزا رُم و سایر مؤسسات انجام شد.
میکرو‑کوازارها به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های کیهانی شناسایی شدند
سیاهچاله‌ها، یکی از رازآلودترین اجسام جهان، هنگام جذب ماده از ستارگان هم‌جوش در سامانه‌های دو ستاره‌ای، جت‌های نسبیتی تولید می‌کنند که «میکرو‑کوازارها» را شکل می‌دهند. در این مطالعه، LHAASO برای اولین بار به‌طور منظم پرتوهای گاما با انرژی بسیار بالا را از پنج میکرو‑کوازار شامل SS 433، V4641 Sgr، GRS 1915+105، MAXI J1820+070 و Cygnus X‑1 شناسایی کرد.
به‌ویژه، تابش با انرژی فوق‌العاده بالا از SS 433 با یک ابر اتمی عظیم همپوشانی داشت که به‌وضوح نشان می‌دهد پروتون‌های پرانرژی توسط سیاهچاله شتاب می‌گیرند و با مادهٔ اطراف برخورد می‌کنند.
انرژی پروتون‌ها در این سامانه از ۱ PeV پیشی گرفت و توان کل تقریباً ۱۰32 ژول در ثانیه بود که معادل انرژی آزاد‑شده به‌صورت ثانیه‌ای توسط چهار تریلیون از قدرتمندترین بمب‌های هیدروژن است. انرژی گاماهای حاصل از V4641 Sgr به ۰.۸ PeV رسید، که آن را به‌عنوان «شتاب‌دهندهٔ فوق‑PeV» دیگر معرفی می‌کند؛ در حالی که ذرات والد تولید کننده این گاماها انرژی‌ای بیش از ۱۰ PeV داشتند.
این نتایج ثابت می‌کنند که میکرو‑کوازارها شتاب‌دهنده‌های برجستهٔ ذرات با انرژی PeV در کهکشان راه شیری هستند و به مساله‌ای دیرینه در علم پاسخ می‌دهند: در حالی که بقایای ابرنواختری به‌عنوان منبع پرتوهای کیهانی شناخته می‌شدند، هم مطالعات مشاهده‌ای و هم نظری نشان داده‌اند که آنها قادر به شتاب دادن پرتوهای کیهانی تا انرژی «کنی» و فراتر از آن نیستند.
چالش‌های اندازه‌گیری طیف پرتوهای کیهانی
برای درک کامل این پدیده، اندازه‌گیری دقیق طیف‌های انرژی انواع مختلف پرتوهای کیهانی به‌همراه «کنی»های مربوط به هرکدام ضروری است. نخستین گام، سنجش طیف انرژی سبک‌ترین هسته‌ها — یعنی پروتون‌ها — است. اما پرتوهای کیهانی در حوزه «کنی» به‌ندرت یافت می‌شوند و حسگرهای ماهواره‌ای محدودیت پذیرش دارند؛ به‌گونه‌ای که تشخیص آنها شبیه جستجوی سوزن در انبار کاه می‌شود.
در اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم زمینی پرتوهای کیهانی، اجتناب از تداخل جوی مقدور نیست. این مسأله تشخیص پروتون‌ها از هسته‌های دیگر را دشوار می‌سازد. برای مدتی طولانی، این نوع اندازه‌گیری غیرممکن تلقی می‌شد.
در این مطالعه، با بهره‌گیری از تجهیزات پیشرو جهان برای مشاهده پرتوهای کیهانی به‌صورت زمینی، LHAASO تکنیک‌های اندازه‌گیری چندپارامتری را توسعه داد و نمونه آماری بزرگی از پروتون‌های با خلوص بالا انتخاب کرد؛ به‌گونه‌ای که بتواند طیف انرژی آنها را با دقتی برابر با آزمایش‌های ماهواره‌ای اندازه‌گیری کند. این اندازه‌گیری ساختاری در طیف انرژی آشکار ساخت که کاملاً غیرمنتظره بود و به‌وضوح یک «مؤلفهٔ انرژی بالا» جدید را نشان داد، نه‌که تنها انتقال سادهٔ میان طیف‌های قانون توان.
چندین شتاب‌دهنده شکل‌گیری منشأ پرتوهای کیهانی را تعیین می‌کنند
یافته‌های جدید LHAASO، همراه با مؤلفهٔ کم‌انرژی اندازه‌گیری‌شده توسط آزمایش فضایی AMS‑02 و مؤلفهٔ میان‌انرژی که توسط آزمایش فضایی DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) ثبت شد، وجود چندین شتاب‌دهنده را در داخل کهکشان راه شیری نشان داد؛ به‌طوری که هر کدام توان شتاب‌دهی و بازهٔ انرژی خاص خود را دارند. «کنی» نشانگر حد بالاتر شتاب‌دهی منبعی است که مؤلفهٔ انرژی بالا را تولید می‌کند.
ساختار پیچیدهٔ طیف انرژی پروتون‌ها نشان می‌دهد که پروتون‌های پرتوهای کیهانی در بازهٔ انرژی PeV عمدتاً از «منابع جدید» مانند میکرو‑کوازارها می‌آیند، که حد شتاب‌دهی آنها به‌مراتب بالاتر از بقایای ابرنواختر است. این امر به آنها اجازه می‌دهد پرتوهای کیهانی با انرژی بالایی تولید کنند که از «کنی» فراتر می‌روند.
پیشرفت‌ها سیاهچاله‌ها را با پرتوهای کیهانی مرتبط می‌سازند
این دو کشف یکدیگر را تقویت می‌کنند و تصویری جامع علمی ارائه می‌دهند. این نه‌تنها پیشرفت مهمی در حل راز دیرینهٔ منبع «کنی» است، بلکه شواهد مشاهده‌ای حیاتی برای درک نقش سیاهچاله‌ها در پیدایش پرتوهای کیهانی عرضه می‌نماید.
طرح ترکیبی آرایهٔ آشکارسازهای LHAASO امکان کشف منابع پرتوهای کیهانی از طریق گامای فوق‌العاده‌بالا انرژی را فراهم می‌آورد و همزمان اندازه‌گیری دقیق ذرات پرتوهای کیهانی در اطراف سامانهٔ منظومهٔ خورشیدی را ممکن می‌سازد. این رویکرد نگاهی به توان شتاب‌دهی منابع در انرژی‌های PeV و ویژگی‌های طیفی‌ای که به پرتوهای کیهانی می‌آورند می‌اندازد. برای اولین بار، ساختار «کنی» به‌صورت مشاهده‌ای به نوع خاصی از منبع نجومی — سامانهٔ جت سیاهچاله — مرتبط شد.
LHAASO که توسط دانشمندان چینی طراحی، ساخته و اداره می‌شود، به‌دلیل حساسیت بالا در هر دو حوزهٔ کاوش نجومی گامای و اندازه‌گیری دقیق پرتوهای کیهانی، پیشتاز پژوهش‌های پرتوهای کیهانی پرانرژی محسوب می‌شود. این رصدخانه یک سری کشفیات با تأثیر جهانی به‌دست آورده است و به دانش ما دربارهٔ فرآیندهای فیزیکی شدید در جهان افزوده است.
اطلاعات بیشتر: Science Bulletin (2025). DOI: 10.1016/j.scib.2025.10.048
National Science Review (2025).
ارائه‌شده توسط آکادمی علوم چین
استناد: پازل پرتوهای کیهانی حل شد؛ دانشمندان شکل‌گیری «کنی» را به سیاهچاله‌ها ارتباط دادند (2025, November 16) retrieved 16 November 2025 from https://phys.org/news/2025-11-cosmic-ray-puzzle-scientists-link.html