کاوش تابش رادیویی در بهمن‌های هوایی

رصدخانه‌ی پیر اوژه در کشور آرژانتین واقع شده است. محل و طرح کلی این رصدخانه را در این تصویر می‌بینید.

رصدخانه‌ی پیراوژه در ایالت مندوزا در نزدیکی شهر کوچکی به نام مالارگوئه در کشور آرژانتین واقع شده است. مساحت این رصدخانه ۳۰۰۰ کیلومترمربع است (برای این‌که شهودی از بزرگی‌ آن داشته باشید، مساحت تهران طبق ویکیپدیا حدود ۷۳۰ کیلومتر مربع است). این رصد‌خانه حاوی ۱۶۶۰ آشکارساز چرنکوف و ۲۷ تلسکوپ فلورسنس است که در چهار گوشه‌ی رصدخانه واقع شده اند. علاوه بر این آشکارسازها تعداد دیگری آشکارساز رادیویی و دستگاه‌های هواشناسی در قسمت‌های متفاوتی از این رصدخانه ساخته شده‌اند.

در این رصدخانه علاوه بر آشکارسازی ذرات ثانویه‌، تابش رادیویی ساطع شده از بهمن‌های گسترده‌ی هوایی را نیز می‌توان مطالعه کرد. یک بهمن گسترده‌ی هوایی به آبشاری از ذرات ثانویه گفته می‌شود که در اثر برخورد یک ذره‌ی اولیه‌ی پرانرژی (مثل پروتون) با مولکول‌های جو زمین تولید می‌شود.

نمای رصدخانه‌ی پیر اوژه از بالا. هر نقطه نشانگر یکی از ۱۱۶۰ آشکارساز چرنکوف است. در گوشه‌های تصویر، چهار ساختمان حاوی تلسکوپ‌های فلورسنس نمایش داده شده‌اند. خط‌های آبی زاویه‌ی دید هر تلسکوپ را نشان می‌دهد. AERA آرایه‌ی رادیویی مورد استفاده در این مقاله است.

در این مقاله که به تازگی نوشته شده است، پژوهشگران رصدخانه‌ی پیر اوژه، تابش رادیویی حول و حوش ۵۰ مگاهرتز را در پرتوهای کیهانی توسط آرایه‌ی رادیویی اوژه که هنوز در حال توسعه است (AERA) مطالعه کرده‌اند. این آرایه قابلیت ثبت بهمن‌های هوایی با انرژی بیشتر از ۱۰ به توان ۱۷ الکترون ولت را دارد.

به طور کلی دو مکانیسم تابش رادیویی متفاوت در بهمن‌های هوایی وجود دارد: مکانیسم تابشی ژئومغناطیس و مکانیزم بار اضافه.  تابش ژئومغناطیس با القای جریان جابجایی الکتریکی در پیشانی بهمن (shower front) توسط میدان مغناطیسی زمین به وجود می‌آید، در حالی که بار اضافه در بهمن هوایی اغلب به دلیل برانگیختگی و جدایی الکترون‌ها از مولکول‌های هوا توسط فوتون‌های پرانرژی حاضر در بهمن هوایی به وجود می‌آید. مقدار این جریان الکتریکی و بار اضافه‌ی القایی متناسب با تعداد ذرات ثانویه در بهمن هوایی است و با زمان تغییر می‌کند. در نتیجه امواج رادیویی همدوس با طول موج‌های نسبتا بلند نیز می‌توانند تابش شوند. لازم به ذکر است که پیشانی بهمن هوایی که جریان جابجایی القایی و بار اضافی را با خود حمل می‌کند با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کند.
قطبش امواج رادیویی تابش شده توسط جریان القایی با قطبش تابش حاصل از بار القایی متفاوت است. این تفاوت امکان تشخیص نوع تابش را فراهم می‌سازد.

نویسندگان این مقاله با اندازه‌گیری جهت بردار میدان الکتریکی القایی، تابش رادیویی بهمن‌های هوایی را مطالعه کرده‌اند. بردار میدان الکتریکی تابش ژئومغناطیس از روی جهت محور اصلی بهمن هوایی و بردار میدان مغناطیسی زمین یافت می‌شود. مؤلفه‌ی دیگری از میدان الکتریکی که به صورت شعاعی از هسته‌ی بهمن هوایی (محل برخورد بهمن هوایی با زمین) دور می‌شود نیز وجود دارد که مربوط به مکانیسم بار اضافه است. اندازه‌گیری‌های دقیق پژوهشگران رصدخانه‌ی اوژه نشان می‌دهد که تابش رادیویی ناشی از فرآیند تابش ژئومغناطیسی بر تابش بار اضافه غالب است. به طور متوسط مقدار نسبی مؤلفه‌ی شعاعی، مربوط به مکانیسم بار اضافه، به مؤلفه‌ی القاشده توسط تابش ژئومغناطیس حدود ۱۴ درصد گزارش شده است. هرچند این نسبت کوچک است ولی وجود مکانیسم بار اضافه در تابش رادیویی را تایید می‌کند.

برای اطلاعات بیشتر راجع به فیزیک تابش رادیویی، نحوه‌ی دقیق ثبت داده، و مدل‌های نظری تابش می‌توانید به اصل مقاله رجوع کنید که اطلاعاتش در زیر آمده است.

عنوان اصلی مقاله:
Probing the radio emission from air showers with polarization measurements
نویسندگان:
Pierre Auger Collaboration
این مقاله برای چاپ در نشریه‌ی Physical Review D پذیرفته شده است.
لینک مقاله‌ اصلی: http://arxiv.org/abs/1402.3677

گردآوری: آزاده کیوانی