اشعه‌های کیهانی شاید در ابتدا شبیه یک تهدید علمی-تخیلی به نظر برسند، چیزی که از اعماق فضا به سمت ما می‌آید. در مقادیر بسیار زیاد، این تصور چندان هم دور از واقعیت نیست. اما واقعیت این است که اشعه‌های کیهانی هر روز از بدن ما عبور می‌کنند، بدون اینکه آسیب جدی به ما وارد کنند. پس این ذرات پرانرژی و اسرارآمیز دقیقا چه هستند و از کجا می‌آیند؟ در ادامه به بررسی این پدیده می‌پردازیم.

اشعه کیهانی چیست؟ تعریف و مفهوم

اصطلاح "اشعه کیهانی" به ذرات پرسرعتی اطلاق می‌شود که در سرتاسر کیهان در حال حرکت هستند. این اشعه‌ها همه‌جا وجود دارند. احتمالاً اشعه‌های کیهانی بارها از بدن همه‌ی ما عبور کرده‌اند، به‌ویژه اگر در ارتفاعات بالا زندگی کنیم یا با هواپیما سفر کرده باشیم. خوشبختانه، جو زمین مانند یک سپر محافظ، از ما در برابر بیشتر این اشعه‌ها محافظت می‌کند، بنابراین در زندگی روزمره خطری جدی برای ما ایجاد نمی‌کنند.

اشعه‌های کیهانی حاوی اطلاعات مهم و جذابی درباره‌ی پدیده‌ها و اجرام موجود در نقاط دیگر کیهان هستند. از جمله این پدیده‌ها می‌توان به مرگ ستارگان عظیم‌الجثه (که به آن انفجار ابرنواختری یا سوپرنوا گفته می‌شود) و فعالیت‌های خورشیدی اشاره کرد. به همین دلیل، ستاره‌شناسان با استفاده از بالون‌های ارتفاع بالا و ابزارهای فضایی به مطالعه‌ی این اشعه‌ها می‌پردازند. این تحقیقات، بینش‌های جدید و هیجان‌انگیزی را در مورد منشاء و تکامل ستارگان و کهکشان‌های موجود در جهان در اختیار ما قرار می‌دهند.

جنس اشعه‌های کیهانی از چیست؟

اشعه‌های کیهانی، ذرات باردار (معمولاً پروتون) با انرژی بسیار بالا هستند که تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند. بخشی از این اشعه‌ها از خورشید (به شکل ذرات پرانرژی خورشیدی) سرچشمه می‌گیرند، در حالی که بخش دیگر، حاصل انفجارهای ابرنواختری و دیگر رویدادهای پرانرژی در فضای بین ستاره‌ای (و بین کهکشانی) هستند. هنگامی که اشعه‌های کیهانی با جو زمین برخورد می‌کنند، "ذرات ثانویه" تولید می‌کنند که به شکل بارش ذرات در جو قابل مشاهده هستند.

تاریخچه کشف و مطالعه اشعه‌های کیهانی

وجود اشعه‌های کیهانی بیش از یک قرن است که برای دانشمندان شناخته شده است. اولین بار، فیزیکدان اتریشی، ویکتور هس، این اشعه‌ها را کشف کرد. او در سال 1912، الکترومترهای دقیقی را به وسیله‌ی بالون‌های هواشناسی به لایه‌های بالایی جو زمین فرستاد تا میزان یونیزاسیون اتم‌ها (یعنی سرعت و میزان انرژی‌دار شدن اتم‌ها) را اندازه گیری کند. یافته‌ی او این بود که میزان یونیزاسیون با افزایش ارتفاع در جو، به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد؛ کشفی که بعدها جایزه نوبل را برای او به ارمغان آورد.

این یافته، برخلاف باورهای رایج آن زمان بود. در ابتدا، هس تصور می‌کرد که این اثر ناشی از یک پدیده خورشیدی است. اما پس از تکرار آزمایش‌های خود در طول یک خورشیدگرفتگی نزدیک، به نتایج مشابهی دست یافت و بدین ترتیب، منشاء خورشیدی برای این پدیده رد شد. او نتیجه گرفت که باید یک میدان الکتریکی ذاتی در جو وجود داشته باشد که باعث یونیزاسیون مشاهده شده می‌شود، هرچند نتوانست منبع این میدان را مشخص کند.

بیش از یک دهه بعد، فیزیکدان دیگری به نام رابرت میلیکان توانست ثابت کند که میدان الکتریکی موجود در جو که توسط هس مشاهده شده بود، در واقع جریانی از فوتون‌ها و الکترون‌ها است. او این پدیده را "اشعه‌های کیهانی" نامید و مشخص کرد که این اشعه‌ها از اعماق فضا به جو زمین وارد می‌شوند. چالش بعدی، یافتن این موضوع بود که چه فرآیندها یا اجسامی می‌توانند منشاء تولید این اشعه‌ها باشند.

مطالعات جاری در مورد ویژگی‌های اشعه‌های کیهانی

از آن زمان تاکنون، دانشمندان به استفاده از بالون‌های ارتفاع بالا برای عبور از جو و نمونه‌برداری از این ذرات پرسرعت ادامه داده‌اند. منطقه بالای قطب جنوب در قطب جنوب، یک مکان مورد علاقه برای پرتاب بالون‌ها است و چندین ماموریت اطلاعات بیشتری در مورد اشعه‌های کیهانی جمع‌آوری کرده‌اند. در آنجا، مرکز ملی بالون‌های علمی (National Science Balloon Facility) سالانه میزبان چندین پرواز حامل ابزار است. "شمارنده‌های اشعه کیهانی" که این بالون‌ها حمل می‌کنند، انرژی اشعه‌های کیهانی، و همچنین جهت و شدت آنها را اندازه‌گیری می‌کنند.

ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) نیز دارای ابزارهایی برای مطالعه خواص اشعه‌های کیهانی، از جمله آزمایش "انرژی‌سنجی و جرم اشعه کیهانی" (CREAM) است. این آزمایش که در سال 2017 نصب شده است، ماموریت سه ساله دارد تا حداکثر داده ممکن را در مورد این ذرات پرسرعت جمع آوری کند. CREAM در واقع به عنوان یک آزمایش بالونی آغاز شد و بین سال‌های 2004 و 2016 هفت بار پرواز کرد.

کشف منشا اشعه‌های کیهانی: سفری به اعماق فضا

از آنجایی که اشعه‌های کیهانی از ذرات باردار تشکیل شده‌اند، مسیر آن‌ها می‌تواند توسط هر میدان مغناطیسی که با آن برخورد می‌کنند، تغییر کند. طبیعتاً اجسامی مانند ستارگان و سیارات دارای میدان‌های مغناطیسی هستند، اما میدان‌های مغناطیسی بین ستاره‌ای نیز وجود دارند. این امر پیش‌بینی محل (و میزان قدرت) میدان‌های مغناطیسی را بسیار دشوار می‌کند. و از آنجایی که این میدان‌های مغناطیسی در سراسر فضا وجود دارند، از هر جهت ظاهر می‌شوند. بنابراین جای تعجب نیست که از دیدگاه ما در اینجا روی زمین به نظر می‌رسد که اشعه‌های کیهانی از هیچ نقطه خاصی در فضا نمی‌آیند.

تعیین منبع اشعه‌های کیهانی سال‌ها دشوار بود. با این حال، فرضیاتی وجود دارد که می‌توان در نظر گرفت. اول از همه، ماهیت اشعه‌های کیهانی به عنوان ذرات باردار با انرژی فوق‌العاده بالا، نشان می‌دهد که آنها توسط فعالیت‌های نسبتاً قدرتمندی تولید می‌شوند. بنابراین رویدادهایی مانند ابرنواخترها یا مناطق اطراف سیاه‌چاله‌ها به عنوان کاندیداهای احتمالی به نظر می‌رسیدند. خورشید نیز چیزی شبیه به اشعه‌های کیهانی را به شکل ذرات بسیار پرانرژی ساطع می‌کند.

در سال 1949، فیزیکدان انریکو فرمی پیشنهاد کرد که اشعه‌های کیهانی صرفاً ذراتی هستند که توسط میدان‌های مغناطیسی در ابرهای گازی بین ستاره‌ای شتاب می‌گیرند. و از آنجایی که برای ایجاد اشعه‌های کیهانی با بالاترین انرژی به یک میدان نسبتاً بزرگ نیاز دارید، دانشمندان شروع به بررسی بقایای ابرنواخترها (و دیگر اجسام بزرگ در فضا) به عنوان منبع احتمالی کردند.

در ژوئن 2008، ناسا تلسکوپ پرتو گاما را به نام فرمی (Fermi) (به نام انریکو فرمی) پرتاب کرد. در حالی که فرمی یک تلسکوپ پرتو گاما است، یکی از اهداف اصلی علمی آن تعیین منشاء اشعه‌های کیهانی بود. ستاره شناسان در ترکیب با سایر مطالعات اشعه‌های کیهانی توسط بالون‌ها و ابزارهای فضایی، اکنون به بقایای ابرنواخترها و اجسام عجیب و غریب مانند سیاهچاله‌های کلان جرم به عنوان منابع پرانرژی‌ترین اشعه‌های کیهانی که در اینجا روی زمین شناسایی شده‌اند، نگاه می‌کنند.

حقایق جالب درباره اشعه‌های کیهانی

• اشعه‌های کیهانی از سراسر جهان می‌آیند و می‌توانند توسط رویدادهایی مانند انفجارهای ابرنواختری ایجاد شوند.
• ذرات پرسرعت نیز در سایر رویدادهای پرانرژی مانند فعالیت‌های کوازارها تولید می‌شوند.
• خورشید همچنین اشعه‌های کیهانی را به صورت ذرات پرانرژی خورشیدی ساطع می‌کند.
• اشعه‌های کیهانی را می‌توان به روش‌های مختلفی روی زمین شناسایی کرد. برخی از موزه‌ها آشکارسازهای اشعه کیهانی را به عنوان نمایشگاه دارند.