میدان‌های مغناطیسی کهکشانی چه تأثیری بر پرتوهای کیهانی پرانرژی می‌گذارند؟

میدان‌های مغناطیسی کهکشانی چه تأثیری بر پرتوهای کیهانی پرانرژی می‌گذارند؟

یادداشت نویسنده: هفته‌ی گذشته مقاله‌ای را که در ادامه‌ی کار تز دکترایم نوشته‌ام، برای چاپ به نشریه‌ی Astroparticle Physics  فرستاده و بر روی وبسایت آرکایو نیز قرار دادم. این مقاله که در زیر گردآوری شده است خلاصه‌ایست از پژوهش‌های گردآمده در مقاله‌ی اصلی و برخلاف مقاله‌های دیگر در بخش «مقالات روز» اسطرلاب، بیشتر به زبان اول شخص جمع بیان می‌شود.

قبلا راجع به پرتوهای کیهانی پرانرژی در این مقاله توضیح داده‌ایم. باوجود این‌که بیش از صد سال از کشف این ذرات می‌گذرد، ما هنوز بنیادی‌ترین ویژگی‌های مربوط به آن‌ها را به درستی نمی‌شناسیم. یکی از بزرگترین سؤالات حل‌نشده درباره‌ی این ذرات پرانرژی اینست که «این ذرات از کجا می‌آیند؟». برای پاسخ به این سؤال، موارد مهم گوناگونی را باید مورد مطالعه قرار دهیم.

بر این باوریم که پرتوهای کیهانی، عموما ذراتی باردار، مانند الکترون، پروتون، یا هسته‌های عناصر سنگین‌تر هستند. از طرفی از فیزیک مقدماتی می‌دانیم که وقتی یک ذره‌ی باردار در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد، مسیر حرکتش منحرف و خمیده می‌شود. مطالعات دیگر از جمله مطالعات مربوط به نجوم رادیویی نشان داده‌اند که میدان‌های مغناطیسی با مقادیر متفاوت در سراسر عالم وجود دارند. پس این ذرات باردار که از منابع اخترفیزیکی مختلفی در عالم ساطع شده و مسیری طولانی را طی کرده تا به زمین برسند، در راه، تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی قرار گرفته و مسیر حرکتشان از خط صاف منحرف می‌شود. وقتی ما روی زمین و با آشکارسازهایمان این ذرات را رصد می‌کنیم، می‌توانیم جهت رسیدن ذرات به زمین را با روش‌های ریاضی محاسبه کنیم؛ اما جهت این بردار الزاما ما را به جهت اولیه‌ی ذرات نمی‌رساند، بلکه لازم است اثرات انحراف مغناطیسی تصحیح شوند تا بتوان نشانه‌ای از مکان منابع اخترفیزیکی به دست آورد.

شکل ۱: مؤلفه‌ی هموار میدان مغناطیسی در مدل JF12. اکثر مدل‌های میدان مغناطیسی کهشکان راه شیری، بازوهای مارپیچی کهکشان را دنبال می‌کنند. تصویر بالا میدان را در صفحه‌ی کهکشان و تصویر پایین میدان را در هاله‌ی کهکشان نشان می‌دهند.

شکل ۱: مؤلفه‌ی هموار میدان مغناطیسی در مدل JF12 . در اکثر مدل‌های میدان مغناطیسی کهشکان راه شیری، جهت میدان، بازوهای مارپیچی کهکشان را دنبال می‌کنند. تصاویر بالا میدان را در صفحه‌ی کهکشان و تصاویر پایین میدان را در هاله‌ی کهکشان نشان می‌دهند.

برای این کار به سراغ مدل‌های مغناطیسی موجود می‌رویم. یکی از این مدل‌ها که در این مقاله استفاده شده است مدل JF12 (شکل ۱) نام دارد که در ادامه بیشتر راجع به آن توضیح خواهیم داد. در این مقاله، اثرات میدان‌های مغناطیسی کهکشان راه شیری بر پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی بررسی می‌شوند و تاثیر میدان مغناطیسی فراکهکشانی به دو دلیل عمده نادیده گرفته می‌شود. دلیل اول اینست که اندازه‌ی میدان‌های مغناطیسی فراکهکشانی تقریبا ۳ مرتبه‌ی بزرگی از اندازه‌ی میدان‌های مغناطیسی کهکشانی کوچکترند و دلیل دوم اینست که منبع اخترفیزیکی مورد بررسی در این مقاله در فاصله‌ی نسبتا نزدیکی از ما قرار دارد که میزان انحراف ناشی از میدان مغناطیسی فراکهکشانی را ناچیز می‌کند، زیرا ذرات، قبل از ورود به کهکشان، مسافت کوتاه‌تری را در این میدان فراکهکشانی طی می‌کنند. محاسبات و مطالعات دیگر نیز نشان می‌دهند که پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی نمی‌توانند از منابعی که در فواصل بیش از حدود ۱۰۰ مگاپارسک قرار دارند ناشی شوند و در نتیجه برای یافتن منشأ آن‌ها روی منابع اخترفیزیکی نزدیک‌تر از فاصله‌ی مذکور متمرکز می‌شویم.

قنطورس آ۱ که یک کهکشان رادیویی با هسته‌ی کهکشانی فعال است، یکی از بهترین نامزدهای تولید پرتوهای کیهانی به شمار می‌رود. این کهکشان که در فاصله‌ی ۳/۸ مگاپارسکی قرار دارد، نزدیک‌ترین کهشکان فعال به زمین است. وجود لُب‌های رادیویی بسیار بزرگ (شکل ۲ را ببینید) و جت مرکزی پرانرژی این کهکشان به همراه فاصله‌ی نسبتا نزدیک آن، ما را به مطالعه‌ی انحراف پرتوهای کیهانی از این کهکشان خاص علاقه‌مند می‌کند.

شکل ۲: تصویر رادیویی کهکشان قنطورس آ. در این تصویر اندازه‌ی کهکشان با اندازه‌ی ماه مقایسه شده است و تلسکوپ‌های استرالیایی ATCA نیز در تصویر مشاهده‌ می‌شوند. این تصویر از NASA APOD در ۱۳ آوریل ۲۰۱۱ گرفته شده است.

شکل ۲: تصویر رادیویی کهکشان قنطورس آ. در این تصویر اندازه‌ی کهکشان با اندازه‌ی ماه مقایسه شده است و تلسکوپ‌های استرالیایی ATCA نیز در تصویر مشاهده‌ می‌شوند. این تصویر از NASA APOD در ۱۳ آوریل ۲۰۱۱ گرفته شده است.

در بخش اصلی این مطالعه، فرض می‌کنیم که ذرات پرانرژی از مرکز این کهکشان ساطع شده و به سمت زمین می‌آیند. برای این کار، تعداد قابل توجهی از ذرات پرتو کیهانی با انرژی و بار متفاوت را شبیه‌سازی می‌کنیم (در این‌جا از کمیتی به نام rigidity استفاده می‌کنیم که برابر است با انرژی تقسیم بر بار ذره و آن را با حرف R نمایش می‌دهیم. میزان انحراف مغناطیسی ارتباط مستقیم با این کمیت دارد.)  سپس حرکت این ذرات را در میدان مغناطیسی کهکشان شبیه‌سازی کرده تا جهت رسیدن آن‌ها به زمین را بیابیم. برای این منظور از مدل میدان مغناطیسی جدید JF12 که کار همکارانمان۲ است استفاده می‌کنیم. این مدل که تئوری‌های پیشین را گسترش می‌دهد براساس داده‌های اندازه‌گیری چرخش فارادی از منابع فراکهکشانی و تابش سینکروترون پالسارهای درون کهکشان به دست می‌آید و مؤلفه‌ی اصلی آن، بازوهای مارپیچی کهکشان را دنبال می‌کنند. برای اطلاع بیشتر راجع به این مدل، مؤلفه‌های مختلف و فرمالیسم ریاضی آن می‌توانید به این مقاله رجوع کنید. در مقاله‌ی حاضر، یک مؤلفه‌ی رندم نیز به میدان مغناطیسی اضافه می‌کنیم تا مدلی دقیق‌تر و نزدیک‌تر به واقعیت به دست‌ آوریم.

شکل ۳: نقشه‌ی آسمانی در مختصات کهکشانی که توزیع جهت مشاهده‌ی پرتوهای کیهانی را نشان می‌دهد که از یک درجه حول مرکز کهکشان قنطورس آ، نشأت گرفته و به ما رسیده‌اند. داده‌های رصدشده در رصدخانه‌ی اوژه نیز برای مقایسه نشان داده شده‌اند.

شکل ۳: نقشه‌ی آسمانی در مختصات کهکشانی که توزیع جهت مشاهده‌ی پرتوهای کیهانی را نشان می‌دهد که از یک درجه حول مرکز کهکشان قنطورس آ، نشأت گرفته و به ما رسیده‌اند. داده‌های رصدشده در رصدخانه‌ی اوژه نیز برای مقایسه نشان داده شده‌اند.

شکل ۳ یک نقشه‌ی آسمانی در مختصات کهکشانی است که جهت آشکارشدن پرتوهای کیهانی شبیه‌سازی شده با مقادیر مختلف R را نشان می‌دهد. همان‌طور که انتظار می‌رود ذرات با مقادیر R بیشتر (مثلا رنگ آبی فیروزه‌ای و سبزکم‌رنگ در شکل)، انحراف متوسط کمتری نسبت به راستای اولیه‌شان (یعنی مرکز کهکشان قنطورس آ) دارند.  اما نکته‌ی قابل توجه در این شکل در مقادیر کوچک R مشاهده می‌شود. برای مثال، ذرات با مقدار R برابر با ۲ اگزا-ولت۳ (که به رنگ صورتی در شکل نمایش داده شده‌اند) بخش بسیار بزرگی از آسمان را دربرمی‌گیرند. این نکته به این معنی است که یک پروتون با انرژی ۲ اگزا-الکترون‌ولت که از زمین در فاصله‌ی دوری از کهشکان قنطورس آ مشاهده می‌شود، در واقع می‌تواند از این کهکشان آمده باشد و به دلیل انحراف در میدان مغناطیسی، از زاویه‌ای دیگر مشاهده شود. در پایان جهت این ذرات شبیه‌سازی‌شده را با پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی آشکارشده در رصدخانه‌ی پیراوژه (ستاره‌های سیاه در شکل) مقایسه می‌کنیم. همان‌طور که در شکل ۳ می‌بینید، این ذرات از زوایای مختلف (قابل مشاهده در زاویه‌دید رصدخانه) به ما می‌رسند. شبیه‌سازی‌های ما نشان می‌دهند که احتمال نشأت گرفتن پرتوهای کیهانی رصدشده با مقادیر کمتر R از قنطورس آ وجود دارد. باید به این نکته توجه داشت که به دلیل پراکندگی زیاد ذرات با rigidity بین ۲ تا ۱۰ اگزا-ولت در آسمان، نمی‌توان نتیجه گرفت که این ذرات حتما از کهکشان قنطورس آ می‌آیند و تنها احتمال منبع بودن این کهکشان تایید می‌شود.

۱. Centaurus A
۲. Glennys R. Farrar and Ronnie Jansson
۳. اگزا-ولت یا EV واحد Rigidity است که در واقع برابر با انرژی۱۸ ۱۰ الکترون‌ولت برای یک ذره با بار واحد (مثل پروتون) است.

عنوان اصلی مقاله:
Magnetic Deflections of Ultra-High Energy Cosmic Rays from Centaurus A
نویسندگان:
Azadeh Keivani, Glennys R. Farrar, Michael Sutherland
این مقاله برای چاپ به نشریه‌ی Astroparticle Physics فرستاده شده است.
لینک مقاله‌ اصلی: http://arxiv.org/pdf/1406.5249v1.pdf

گردآوری: آزاده کیوانی

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. در حال حاضر عضو تیم تحقیقاتی AMON و هم‌چنین عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube است. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بوده است. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

بازتاب‌ها

  1. کشف بزرگترین میدان های مغناطیسی موجود در کیهان - تم دیزاین ۵ فروردین, ۱۳۹۶، ۱۹:۵۸

    […] ۲۹ ژوئن ۲۰۱۴ … برای یاف&#157…http://staryab.com/2014/06/29/gmf-cosmic-rays/ […]

دیدگاه‌ها

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*