کشف اشعه گاما توسط فرمی اخترشناسان را شوکه کرد

کانسپت این هنرمند کل آسمان را در پرتوهای گاما با دایره‌های بنفش نشان می‌دهد، که نشان‌دهنده عدم قطعیت در جهتی است که به نظر می‌رسد پرتوهای گامای پرانرژی بیشتر از حد متوسط ​​از آن می‌رسند. در این نما، صفحه کهکشان ما از وسط نقشه عبور می کند. دایره ها مناطقی با احتمال 68% (داخلی) و 95% حاوی منشاء این پرتوهای گاما را در بر می گیرند. اعتبار: مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا

ناساداده‌های تلسکوپ فرمی یک سیگنال پرتو گامای شگفت‌انگیز را در خارج از کهکشان ما نشان داده است که به طور بالقوه با پرانرژی‌ترین ذرات کیهانی مرتبط است و پدیده‌های کیهانی ناشناخته جدیدی را پیشنهاد می‌کند.

اخترشناسان در حال تجزیه و تحلیل داده های 13 ساله از تلسکوپ پرتو گامای فضایی فرمی ناسا یک ویژگی غیرمنتظره و هنوز غیر قابل توضیح در خارج از کهکشان ما کشف کرده اند.

الکساندر کشلینسکی، کیهان شناس در این باره گفت: «این یک کشف کاملا تصادفی است دانشگاه مریلند و مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا در Greenbelt، که این تحقیق را در 243 امین نشست انجمن نجوم آمریکا در نیواورلئان ارائه کرد. ما سیگنالی بسیار قوی‌تر و در نقطه‌ای متفاوت از آسمان نسبت به چیزی که به دنبالش بودیم، پیدا کردیم.»

یک سیگنال پرتو گاما و یک رمز و راز کیهانی

جالب توجه است که سیگنال پرتو گاما در جهتی مشابه و قدر تقریباً یکسانی با ویژگی غیرقابل توضیح دیگری که توسط برخی از پرانرژی ترین ذرات کیهانی کشف شده است قرار دارد.

مقاله ای که یافته ها را توصیف می کند در 10 ژانویه منتشر شد این نامه های مجله اخترفیزیک.

https://www.youtube.com/watch?v=nZXfypYEPjM
دانشمندان 13 سال رصد پرتوهای گاما بالای 3 میلیارد الکترون ولت (GeV) را با تلسکوپ منطقه بزرگ فرمی ترکیب کردند، تمام منابع گسسته را حذف کردند و صفحه مرکزی ما را حذف کردند. راه شیری کهکشان برای تجزیه و تحلیل پس‌زمینه پرتو گامای برون‌کهکشانی. تجزیه و تحلیل داده‌های به‌دست‌آمده بخشی از آسمان را نشان می‌دهد که پرتوهای گامای پرانرژی بیشتر از حد متوسط ​​به آنجا می‌رسند. جهت دقیقا مشخص نیست. دایره‌ها مناطقی را نشان می‌دهند که احتمال 68 و 95 درصد حفظ منشأ این پرتوهای گاما برای یک رویکرد تحلیلی وجود دارد. اعتبار: مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا

مطالعه پس زمینه مایکروویو کیهانی

این تیم به دنبال یک ویژگی پرتو گاما مرتبط با CMB (پس زمینه مایکروویو کیهانی)، قدیمی ترین نور در جهان بود. دانشمندان می گویند CMB زمانی رخ می دهد که جهان داغ و در حال انبساط به اندازه کافی سرد شود تا اولین اتم ها را تشکیل دهد، رویدادی که انفجاری از نور آزاد می کند که می تواند برای اولین بار به فضا نفوذ کند. این نور که توسط گسترش بعدی فضا در 13 میلیارد سال گذشته گسترش یافته است، برای اولین بار در سال 1965 به شکل امواج مایکروویو ضعیف در سراسر آسمان شناسایی شد.

ساختار دوقطبی در CMB

در دهه 1970، اخترشناسان متوجه شدند که CMB دارای ساختاری به اصطلاح دوقطبی است که بعداً توسط COBE ناسا با دقت بالا اندازه گیری شد.کاوشگر پس زمینه کیهانی) ماموریت CMB حدود 0.12% گرمتر است، با امواج مایکروویو بیشتر از حد متوسط، به سمت صورت فلکی شیر و به همان میزان سردتر، با امواج مایکروویو کمتر از میانگین، در جهت مخالف. برای مطالعه تغییرات دمایی کوچک در CMB، این سیگنال باید حذف شود. اخترشناسان معمولاً این الگو را نتیجه حرکت منظومه شمسی خودمان نسبت به CMB با سرعت حدود 230 مایل (370 کیلومتر) در ثانیه می دانند.

این حرکت یک سیگنال دوقطبی در نوری که از هر منبع اخترفیزیکی می‌آید تولید می‌کند، اما تاکنون CMB تنها چیزی است که به دقت اندازه‌گیری شده است. اخترشناسان با جست‌وجوی این الگو در اشکال دیگر نور، می‌توانند این ایده را تأیید یا به چالش بکشند که این دوقطبی کاملاً ناشی از حرکت منظومه شمسی است.

“چنین اندازه گیری مهم است زیرا اختلاف در اندازه و جهت دوقطبی CMB می تواند به ما بینشی در مورد فرآیندهای فیزیکی در کار در کیهان بسیار اولیه بدهد، به طور بالقوه به زمانی که کمتر از یک تریلیونم ثانیه بود.” یکی از نویسندگان فرناندو آتریو-باراندلا، استاد فیزیک نظری در دانشگاه سالامانکا در اسپانیا گفت.

https://www.youtube.com/watch?v=wl55Z0XR6to
این تیم به دنبال سیگنال پرتو گاما مرتبط با حرکت منظومه شمسی ما با سرعت 230 مایل (370 کیلومتر) در ثانیه نسبت به CMB بود که به طور گسترده تصور می‌شود مسئول انتشار دوقطبی است. چیزی که آنها در عوض یافتند یک سیگنال پرتو گاما بود که 10 برابر قویتر از آنچه از حرکت کهکشان ما انتظار می رفت و دور از دوقطبی CMB قرار داشت. اعتبار: مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا

دوقطبی پرتو گاما محققان را شگفت زده می کند

این تیم استدلال کرد که با افزودن سال‌ها داده از تلسکوپ منطقه بزرگ فرمی (LAT)، که کل آسمان را چندین بار در روز اسکن می‌کند، می‌توان الگوی مربوط به گسیل دوقطبی در پرتوهای گاما را شناسایی کرد. به دلیل تأثیرات نسبیت، دوقطبی پرتو گاما باید تا پنج برابر بیش از CMB شناسایی شده فعلی تقویت شود.

دانشمندان 13 سال مشاهدات فرمی LAT پرتوهای گاما بالای حدود 3 میلیارد الکترون ولت (GeV) را ترکیب کردند. در مقایسه، نور مرئی بین ۲ تا ۳ الکترون ولت انرژی دارد. آنها تمام منابع شناسایی شده و شناسایی شده را حذف کردند و صفحه مرکزی کهکشان راه شیری ما را برای تجزیه و تحلیل پس‌زمینه پرتو گامای برون‌کهکشانی حذف کردند.

کریس شریدر، اخترفیزیکدان کاتولیک، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: “ما یک دوقطبی گاما پیدا کردیم، اما اوج آن در آسمان جنوبی، دور از CMB است، و قدر آن 10 برابر بزرگتر از چیزی است که از حرکت خود انتظار داریم.” دانشگاه آمریکا در واشنگتن و گودارد. اگرچه این چیزی نیست که ما به دنبال آن بودیم، اما گمان می‌کنیم که ممکن است مربوط به ویژگی مشابهی باشد که برای پرتوهای کیهانی پرانرژی گزارش شده است.»

پرتوهای کیهانی ذرات باردار شتاب‌دار هستند – عمدتاً پروتون‌ها و هسته‌های اتمی. کمیاب‌ترین و پرانرژی‌ترین ذرات به نام UHECR (اشعه‌های کیهانی با انرژی فوق‌العاده بالا)، بیش از یک میلیارد برابر پرتوهای گاما 3 گیگا ولت انرژی را حمل می‌کنند و منشأ آنها یکی از بزرگترین اسرار در اخترفیزیک است.

https://www.youtube.com/watch?v=_FvdjFBdUjk
تصویر بالا: یک نقشه سراسر آسمان از پرتوهای گامای فراکهکشانی، که در آن صفحه مرکزی کهکشان ما، که با رنگ آبی تیره نشان داده شده است، جایی که داده ها حذف شده اند، از وسط می گذرد. نقطه قرمز و دایره‌ها جهت تقریبی را نشان می‌دهند که به نظر می‌رسد پرتوهای گاما بیش از حد متوسط ​​از آن می‌رسند. پایین: یک نقشه مشابه سراسر آسمان که توزیع پرتوهای کیهانی با انرژی فوق‌العاده را نشان می‌دهد که توسط رصدخانه پیر اوگر در آرژانتین شناسایی شده است. قرمز جهت‌هایی را نشان می‌دهد که تعداد ذرات بزرگ‌تر از حد متوسط ​​از آن‌ها وارد می‌شوند، آبی نشان‌دهنده جهت‌هایی با کمتر از میانگین است. این ویدئو نقشه فرمی را روی نقشه پرتوهای کیهانی می پوشاند و شباهت جهت های دوقطبی را نشان می دهد. اعتبار: کشلینسکی و همکاران 2024 و همکاری Pierre Auger

اتصال پرتوهای گاما و پرتوهای کیهانی

از سال 2017، رصدخانه Pierre Auger در آرژانتین دوقطبی را در جهت ورود UHECR گزارش کرد. از آنجایی که پرتوهای کیهانی دارای بار الکتریکی هستند، توسط میدان مغناطیسی کهکشان با مقادیر متفاوتی بسته به انرژی آنها منحرف می شوند، اما دوقطبی UHECR در مکانی آسمان شبیه به آنچه تیم کاشلینسکی در پرتوهای گاما یافتند به اوج می رسد. هر دو بزرگی بسیار مشابهی دارند – حدود 7 درصد بیشتر از میانگین اشعه یا ذرات گاما که از یک جهت می‌آیند و مقادیر کمتری که از جهت مخالف می‌آیند.

دانشمندان بر این باورند که احتمالاً این دو پدیده به هم مرتبط هستند – منابعی که هنوز شناسایی نشده‌اند هم پرتوهای گاما و هم ذرات با انرژی فوق‌العاده تولید می‌کنند. برای حل این معمای کیهانی، اخترشناسان باید یا این منابع اسرارآمیز را کشف کنند یا توضیحات جایگزین برای هر دو ویژگی ارائه دهند.

مرجع: “کاوش در دوقطبی در پس زمینه پرتو پرتو گاما” توسط A. Kashlinski، F. Atrio-Barandella، و K.S. Schrader، 10 ژانویه 2024، نامه های مجله اخترفیزیکی.
DOI: 10.3847/2041-8213/acfedd

تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی یک مشارکت اخترفیزیک و فیزیک ذرات است که توسط گدارد اداره می شود. فرمی با همکاری وزارت انرژی ایالات متحده، با ورودی قابل توجهی از موسسات دانشگاهی و شرکا در فرانسه، آلمان، ایتالیا، ژاپن، سوئد و ایالات متحده ایجاد شد.