پازل پرتوهای کیهانی حل شد؛ دانشمندان تشکیل «زانو» را به سیاه‌چاله‌ها مرتبط کردند

توسط آکادمی علوم چین

ویرایش: گابی کلارک؛ بازنگری: رابرت ایگان

نتایج مهمی که توسط رصدخانه LHAASO (آزمایش شلیک هوای در ارتفاع بالا) در ۱۶ نوامبر منتشر شد، معمای دهه‌هاست دربارهٔ طیف انرژی پرتوهای کیهانی که در بالای ۳ PeV کاهش شدیدی نشان می‌دهد و شکل شبیه «زانو» می‌گیرد.

دلیل «زانو» از زمان کشف آن تقریباً هفتاد سال پیش، نامشخص باقی مانده است. دانشمندان بر این باورند که این پدیده با محدودیت شتاب‌دهی منابع اخترفیزیکی پرتوهای کیهانی ارتباط دارد و نشانگر گذار طیف انرژی پرتوهای کیهانی از یک توزیع توان‑قانونی به دیگری است.

اما اکنون دو مطالعهٔ اخیر—منتشرشده در National Science Review و Science Bulletin—نشان می‌دهند که میکرو‑کوازارهایی که توسط جذب ماده در سامانه‌های سیاه‌چاله ایجاد می‌شوند، شتاب‌دهنده‌های قدرتمند ذرات در کهکشان راه شیری هستند و منبع محتمل «زانو» می‌باشند. این مطالعات همچنین درک ما از فرآیندهای فیزیکی شدید در سامانه‌های سیاه‌چاله را گسترش می‌دهند.

این تحقیق توسط پژوهشگرانی از مؤسسه فیزیک انرژی‌بالا آکادمی علوم چین (CAS)، دانشگاه نانجینگ، دانشگاه علم و فناوری چین (CAS)، دانشگاه لا ساپینزا رم، و سایر مؤسسات برگزار شد.

میکرو‑کوازارها به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های کیهانی شناسایی شدند

سیاه‌چاله‌ها، که از مرموزترین جسم‌های جهان هستند، در هنگام جذب ماده از ستارگان همراه در سامانه‌های دوتایی، جت‌های نسبیتی تولید می‌کنند که «میکرو‑کوازارها» را تشکیل می‌دهند. در این مطالعه، رصدخانه LHAASO برای اولین بار به‌صورت منظم پرتوهای گاما با انرژی فوق‌بالا را از پنج میکرو‑کوازار شناسایی کرد: SS 433، V4641 Sgr، GRS 1915+105، MAXI J1820+070 و Cygnus X‑1.

به‌ویژه، تابش فوق‌بالا انرژی 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 پروتون در این سامانه بیش از ۱ PeV بود و توان کلی آن حدود ۱۰³² جول در هر ثانیه تخمین زده می‌شود؛ معادل انرژی آزادشده در هر ثانیه توسط چهار تریلیون بمب هیدروژنی قدرتمند. انرژی گاما از V4641 Sgr به ۰٫۸ PeV رسید و آن را به‌عنوان شتاب‌دهندهٔ «فرا‑PeV» دیگری معرفی کرد، در حالی که ذرات اصلی تولیدکننده این گاماها انرژی‌های فراتر از ۱۰ PeV داشتند.

این نتایج ثابت می‌کنند که میکرو‑کوازارها شتاب‌دهنده‌های مهم ذرات PeV در کهکشان راه شیری هستند، که به یک مسئلهٔ دیرینه‌ی علمی پاسخ می‌دهند: در حالی که بقایای ابرنواختر پیش‌تر به‌عنوان منابع پرتوهای کیهانی شناخته می‌شدند، مطالعات مشاهده‌ای و نظری نشان داده‌اند که آن‌ها قادر به شتاب‌دهی پرتوهای کیهانی به انرژی‌های «زانو» و بالاتر نیستند.

چالش‌ها در اندازه‌گیری طیف‌های پرتوهای کیهانی

برای درک کامل این پدیده، اندازه‌گیری دقیق طیف‌های انرژی انواع مختلف پرتوهای کیهانی، شامل «زانوهای» هر کدام، ضروری است. اولین گام، اندازه‌گیری طیف انرژی هسته‌های سبک‌ترین—پروتون‌ها—است. اما پرتوهای کیهانی در ناحیهٔ «زانو» کم‌پراکندگی هستند و آشکارسازهای ماهواره‌ای پذیرش محدودی دارند، به‌طوری‌که کشف آن‌ها شبیه یافتن سوزنی در انبار یونجه است.

در اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم زمینی پرتوهای کیهانی، اجتناب از تداخل جوی ممکن نیست. این مسأله تشخیص پروتون‌ها از هسته‌های دیگر را دشوار می‌سازد. برای مدت طولانی، این اندازه‌گیری غیرممکن تلقی می‌شد.

در این تحقیق، با بهره‌گیری از تجهیزات پیشرو جهان برای مشاهدات پرتوهای کیهانی مبتنی بر زمین، LHAASO تکنیک‌های اندازه‌گیری چندپارامتری را توسعه داد و نمونهٔ آماری بزرگی از پروتون‌های با خلوص بالا انتخاب کرد که امکان اندازه‌گیری دقیق طیف انرژی آن‌ها را به‌دستی آورد که دقتی برابر با آزمایش‌های ماهواره‌ای داشت. این اندازه‌گیری ساختاری در طیف انرژی آشکار کرد که کاملاً غیرمنتظره بود؛ به‌وضوح یک «جزء بالانرژی» جدید را به جای گذار ساده بین طیف‌های توان‑قانونی نشان می‌دهد.

چندین شتاب‌دهنده شکل‌دهندهٔ منشاء پرتوهای کیهانی

یافته‌های جدید LHAASO، به همراه بخش انرژی پایین که توسط آزمایش فضایی AMS‑02 اندازه‌گیری شد و بخش انرژی میانی که توسط آزمایش فضایی DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) به‌دست آمد، وجود چندین شتاب‌دهنده در کهکشان راه شیری را نشان داد؛ هر کدام دارای توان شتاب‌گیری منحصر به‌فرد و بازهٔ انرژی خاص خود هستند. «زانو» مرز شتاب‌گیری منابعی است که بخش بالانرژی را تولید می‌کنند.

ساختار پیچیدهٔ طیف انرژی پروتون‌ها نشان می‌دهد که پرتوهای کیهانی در بازهٔ انرژی PeV عمدتاً از «منابع جدید» مانند میکرو‑کوازارها می‌آیند که مرز شتاب‌گیری آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از بقایای ابرنواختر است. این امکان را برای تولید پرتوهای کیهانی با انرژی بالاتر از «زانو» فراهم می‌کند.

پیشرفت‌ها سیاه‌چاله‌ها را به پرتوهای کیهانی مرتبط می‌کنند

این دو کشف یکدیگر را تقویت می‌کنند و تصویری جامع علمی ارائه می‌دهند. این نه تنها پیشرفت قابل‌توجهی در رفع معمای دیرینهٔ منشأ «زانو» است، بلکه شواهد مشاهده‌ای مهمی برای درک نقش سیاه‌چاله‌ها در منشا پرتوهای کیهانی فراهم می‌آورد.

طرح ترکیبی آرایهٔ آشکارسازهای LHAASO امکان شناسایی منابع پرتوهای کیهانی از طریق گامای فوق‌بالا انرژی را فراهم می‌کند، در حالی که اندازه‌گیری دقیق ذرات پرتوهای کیهانی در اطراف سامانهٔ خورشیدی را نیز ممکن می‌سازد. این رویکرد بینشی دربارهٔ قابلیت‌های شتاب‌گیری منابع در انرژی‌های PeV و ویژگی‌های طیفی که به پرتوهای کیهانی می‌افزایند، ارائه می‌دهد. برای اولین بار، ساختار «زانو» به‌صورت مشاهده‌ای به نوع خاصی از منبع اخترفیزیکی — سامانهٔ جت سیاه‌چاله — پیوند خورده است.

LHAASO که توسط دانشمندان چینی طراحی، ساخته و اداره می‌شود، به‌دلیل حساسیت بالا در هر دو حوزهٔ اکتشاف نجومی گاما‑ری و اندازه‌گیری دقیق پرتوهای کیهانی، رهبری تحقیقات پرتوهای کیهانی با انرژی بالا را بر عهده گرفته است. این رصدخانه مجموعه‌ای از کشفیات با تأثیر جهانی به‌دست آورده که دانش ما را در مورد فرآیندهای فیزیکی شدید در جهان گسترش می‌دهد.

اطلاعات بیشتر: Science Bulletin (2025). DOI: 10.1016/j.scib.2025.10.048

Zhen Cao و همکاران، انتشار گامای فوق‌بالا-انرژی مرتبط با سامانه‌های جت سیاه‌چاله، National Science Review (2025). DOI: 10.1093/nsr/nwaf496, dx.doi.org/10.1093/nsr/nwaf496

ارائه شده توسط آکادمی علوم چین

ارجاع: پازل پرتوهای کیهانی حل شد؛ دانشمندان تشکیل «زانو» را به سیاه‌چاله‌ها مرتبط کردند (2025، نوامبر 16) بازیابی شده در 19 نوامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-11-cosmic-ray-puzzle-scientists-link.html

این سند مشمول حقوق تکثیر است. به‌جز هر گونه استفاده منصفانه برای هدف مطالعهٔ خصوصی یا پژوهش، هیچ بخشی از آن بدون اجازهٔ کتبی مجاز به بازتولید نیست. محتوا تنها برای اهداف اطلاع‌رسانی ارائه شده است.