گوشی‌های هوشمند خود را تبدیل به تلسکوپ پرتوهای کیهانی کنید

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 20 اکتبر 2014

محققان به تازگی ایده‌ی جدیدی را مطرح کرده‌اند که می‌توان با استفاده از گوشی‌های هوشمند، پرتوهای کیهانی را آشکار کرد و در کشف منابع آن‌ها سهیم شد. پرتوهای کیهانی عموما ذرات باردار پرانرژی یا فوتون‌هایی هستند که در منابع اخترفیزیکی مختلف تولید شده و در زمین آشکار می‌شوند. این ذرات انرژی‌های متفاوتی دارند و انرژیشان تا بیش از ۱۰ به توان ۲۰ الکترون‌ولت نیز می‌رسد. به ذراتی که انرژی بیشتر از ۱۰ به توان ۱۸ الکترون‌ولت دارند، پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی گفته می‌شود. منبع این ذرات و مکانیسم شتاب‌گیری آن‌ها هنوز به درستی شناخته نشده‌اند. شناخت این ذرات و منابعشان بسیار مهم است و می‌تواند اطلاعات ارزشمندی را از شتاب‌دهنده‌های کیهانی در راستای شناخت عالم در اختیار ما قرار دهد.

شکل ۱: طیف انرژی (تصویر بالا) و توزیع فاصله‌ از محور بهمن گسترده‌ی هوایی (تصویر پایین) برای فوتون‌ها، الکترون‌ها و میون‌ها در سطح زمین را نشان می‌دهند. در این شبیه‌سازی‌، هر بهمن‌ گسترده‌ی هوایی توسط یک پروتون اولیه تولید شده‌ است که انرژیش بین ۱۰ به توان ۱۹ تا ۱۰ به توان ۲۰ است.

وقتی یک ذره‌ی پرتو کیهانی به جو زمین برخورد می‌کند، آبشاری از ذرات ثانویه تولید می‌کند که به آن بهمن هوایی گفته می‌شود. رصدخانه‌های مختلفی در سطح زمین با استفاده از تعداد زیادی آشکارساز که در فواصل مشخص از هم قرار گرفته‌اند به رصد این ذرات ثانویه می‌پردازند؛ از جمله رصدخانه‌ی پیراوژه در آرژانتین و آرایه‌ی تلسکوپی در ایالت یوتا آمریکا. هرچه انرژی پرتو کیهانی اولیه (قبل از برخورد با جو زمین) بیشتر باشد، ذرات ثانویه‌ی تولیدشده در مساحت بزرگتری روی زمین پراکنده می‌شوند و برای آشکارسازی آن‌ها به آشکارسازهای بیشتری نیاز است. هم‌چنین از آن‌جایی که انرژی این ذرات بسیار زیاد است، آن‌ها بسیار نادر و شار رسیدنشان به زمین بسیار کم است که خود دلیل دیگری‌ است برای داشتن رصدخانه‌ای بزرگ. به عنوان مثال اگر می‌شد کل سطح کره‌ی زمین را با آشکارسازهای پرتوهای کیهانی پوشاند، در عرض یک سال تعداد زیادی از این ذرات را می‌توانستیم آشکار کنیم و با داشتن حجم انبوهی از «داده»، کشف منابع آن‌ها و مطالعه‌ی انواعشان بسیار راحت‌تر می‌شد.

شکل ۲: توزیع پاسخ پیکسل‌های مشاهده‌شده در یک گوشی سامسونگ گلکسی S3 به منابع فوتونی با انرژی بین ۳۰ تا ۱۲۰۰ کیلو-الکترون‌ولت. منحنی مربوط به وقتی که هیچ منبع فوتونی مشخصی وجود ندارد نیز مقایسه شده است که مربوط به منابع خطا و هم‌چنین میون‌های کیهانی است.

به تازگی، فیزیکدانان پرتوهای کیهانی به ایده‌ی جدیدی رسیده‌اند که استفاده از آشکارسازهایی است که بسیاری از ما هر روز آن‌ها را همراه خود داریم؛ یعنی گوشی‌های هوشمند. این گوشی‌های هوشمند به تابش یونیده حساس بوده و می‌توانند فوتون و ذرات باردار مثل الکترون و میون‌ را آشکار کنند. ذرات ثانویه‌ی بهمن‌های هوایی عموما از این سه ذره تشکیل شده‌اند. شکل ۱، طیف انرژی و توزیع مکانی این ذرات را در سطح دریا نشان می‌دهد که توسط شبیه‌سازی‌ها به دست آمده‌اند.

در این پژوهش، تمرکز بیشتر بر فوتون و میون است؛ الکترون‌ها با وجود تعداد زیادشان معمولا توسط ساختمان‌ها، یا جلد گوشی‌ها، و یا عدسی دوربین گوشی‌ها سد می‌شوند. و اما آشکارساز درون گوشی‌های همراه چیزی نیست به جز دوربین آن‌ها که در آن‌ها پیکسل‌های فوتودیود سیلیکونی برای جذب فوتون و تبدیل آن به جریان الکتریکی به کار می‌روند. این دوربین‌ها طوری طراحی شده‌اند که بازدهی کوانتومی قابل قبولی برای آشکارکردن نور مرئی دارند و در عین حال می‌توانند فوتون‌های انرژی‌های بالاتر را نیز آشکار کنند.

شکل ۳: پیکسل‌های فعال‌شده در گوشی سامسونگ گلکسی S3 که بالای حد مشخصی هستند. منبع فوتونی این آزمایش، کبالت است. اندازه‌ی مستطیل‌ها در این شکل، نمایانگر مقدار پاسخی پیکسل است.

با در نظر گرفتن دوربین گوشی‌ همراه به عنوان آشکارساز، می‌توان یک اپلیکیشن را با استفاده از پردازنده‌های گوشی اجرا کرد که به عنوان سیستم دریافتِ «داده» عمل می‌کند. در مرحله‌ی اول، فریم‌های ویدیویی با فرکانس ۱۵ تا ۳۰ هرتز که بستگی به سرعت پردازش دستگاه دارد ضبط می‌شوند. فریم‌هایی که پیکسل‌هایی با حد مشخصِ تعیین‌شده دارند ذخیره شده و به مرحله‌ی بعد فرستاده می‌شوند. در این مرحله فقط پیکسل‌هایی ضبط می‌شوند که از یک حد ثانویه‌ای بیشتر باشند. تمام پیکسل‌های ضبط‌شده به همراه اطلاعات زمان و محل جغرافیایی ضبط شدنشان از طریق اینترنت (هر وقت گوشی به wi-fi وصل شود) به یک سیستم مرکزی فرستاده می‌شود تا برای تحلیل «داده» و تشخیص و بازسازی بهمن هوایی از آن‌ها استفاده شود. هر رخدادی عموما بین ۵۰ تا ۲۰۰ بایت «داده» اشغال می‌کند.

این اپلیکشین در مواقعی اجرا می‌شود که گوشی در حال استفاده نباشد و یک منبع فوتون به آن برسد. به چسب یا ماده‌‌ی دیگری برای پوشاندن دوربین نیازی نیست و تنها کافی است که گوشی طوری که صفحه‌اش رو به ما است روی میز قرار بگیرد که یعنی دوربینش به سمت پایین باشد.

شکل ۴: پیکسل‌های فعال‌شده توسط یک ذره‌ی باردار (به احتمال زیاد یک پروتون) که در یک هواپیما در ارتفاع ۱۰ کیلومتری اندازه‌گیری شده است.

پژوهشگران این مقاله، آزمایش اولیه‌ای برای بررسی عملکرد گوشی‌های همراه گوناگون انجام داده‌اند؛ به این صورت که از پرتو گامای ناشی از واپاشی عناصر رادیواکتیو رادیوم، کبالت، و سزیوم در آزمایشگاه استفاده کرده و پاسخ گوشی‌های همراه پرطرفدار را بررسی کرده‌اند. برای مثال، پاسخ پیکسل‌های گوشی سامسونگ گلکسی S3 در شکل ۲ نشان داده شده است. طیف‌های مشابهی در گوشی‌های دیگر اندروید و هم‌چنین آیفن مشاهده شده‌اند. برخی از فوتون‌های بسیار پرانرژی، هم‌زمان می‌توانند چندین پیکسل را روشن کنند (شکل ۳ را ببینید). این‌ها احتمالا مربوط به پدیده‌هایی چون پراکندگی کامپتون و تولید زوج الکترون-پوزیترون هستند.

آزمایش‌های مختلفی نیز برای اندازه‌گیری حساسیت این گوشی‌ها به آشکارسازی میون‌ها انجام شده است. شکل ۴، رد پای یکی از این ذرات باردار را در پیکسل‌های دوربین یک گوشی هوشمند نشان می‌دهد. این که این رد، فقط در چندین نقطه، فضای خالی دارد نشان‌دهنده‌ی این است که پاسخ پیکسل‌ها به ذرات یونیده، بازدهی بالایی دارد.

شکل ۵: تعداد متوسط گوشی‌هایی که ذرات ثانویه‌ی یک بهمن هوایی را آشکار کرده‌اند و آهنگ آشکارسازی مورد انتظار بر حسب انرژی پرتو کیهانی اولیه. دو حالت مختلف مساحت آشکارساز گوشی در بازدهی آن در نظر گرفته شده است. هم‌چنین سه حالت مختلف از چگالی گوشی‌ها بررسی شده‌اند.

بازدهی این روش برای یک بهمن گسترده‌ی هوایی توسط شبیه‌سازی‌هایی محاسبه شده است. در این شبیه‌سازی‌ها، تعدادی گوشی هوشمند به صورت رندم در مسیر یک بهمن هوایی قرار می‌گیرند و تعداد گوشی‌هایی که ذراتی از این بهمن را ثبت می‌کنند اندازه گرفته می‌شود. اگر حداقل ۵ گوشی همراه، این رخداد را ثبت کنند، بهمن هوایی، «آشکارشده» در نظر گرفته می‌شود (شکل ۵ را ببینید). در نتیجه، تعداد بهمن‌های ثبت‌شده به کل بهمن‌های اولیه در این شبیه‌سازی، به عنوان بازدهی آشکارسازی در نظر گرفته می‌شود. این بازدهی با بالا رفتن انرژی پرتو کیهانی اولیه بالا می‌رود چرا که تعداد ذرات ثانویه‌ی پرتوهای پرانرژی بیشترند.

شکل ۶: تصویر بالا: تعداد رخدادهای مورد انتظار در یک سال در یک کیلومترمربع برحسب انرژی اولیه‌ی ذره. سه مثال از چگالی گوشی‌ها با سه رنگ مختلف نشان داده شده‌اند. منحنی سیاه نیز کل آهنگ رخدادهای مورد انتظار را برای یک آشکارساز با بازدهی کامل بر اساس داده‌های رصدخانه‌ی پیراوژه نشان می‌دهد. پهنای ناحیه‌های رنگی خطای بازدهی گوشی‌ها را منظور کرده است. تصویر پایین: تعداد رخدادهای مورد انتظار برحسب تعداد گوشی‌های همراه.

کمیتی که برای توان رصد آشکارسازها به کار می‌رود، اکسپوژر^۱ نامیده می‌شود که عبارت است از حاصل‌ضرب مساحت آشکارسازی، زاویه‌ی دید، و مدت زمان گرفتن «داده». این عدد برای رصدخانه‌ی پیراوژه در حال حاضر برابر با ۴۰،۰۰۰ کیلومترمربع در استرادیان در سال است که از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۲ منظور شده است که در هر لحظه برابر با ۴،۴۰۰ کلیومترمربع در استرادیان است. برای به‌دست‌آوردن اکسپوژر مشابه با زاویه دید «۱.۷ ضربدر عدد پی» استرادیان به مساحتی معادل ۸۲۵ کیلومترمربع نیازمندیم. با درنظرگرفتن بازدهی متوسط گوشی‌های همراه، تقریبا به ۱۰۰۰ گوشی در یک کیلومترمربع نیازمندیم. این تعداد ما را قادر به آشکارسازی پرتوهای کیهانی بسیار پرانرژی (بالای ۱۰ به توان ۱۹.۵ الکترون‌ولت) خواهد کرد (شکل ۶ را ببینید). دستیابی به شبکه‌ای جهانی و گسترده از گوشی‌های همراه که به فوتون و میون حساس باشند می‌تواند کمک شایانی به کشف فیزیک و منبع پرتوهای کیهانی کند.