اولین مدرک مستقیم که پرتوهای کیهانی کهکشانی در بقایای ابرنواختری شتاب گرفته‌اند با مشاهدات تلسکوپ ناحیه گسترده فرمی (Fermi Large Area Telescope) فراهم شده است. نتایج از چهارسال داده این تلسکوپ استفاده می‌کند که با مشاهده بقایای دو ابرنواختر IC 443 و W44 در کهکشهان ما گردآوری شده‌اند. مشاهدات برازش بسیار خوبی با پیش‌بینی واپاشی پایون خنثی دارند.

پرتوهای کیهانی کهکشانی – فرضیه‌

پرتوهای کیهانی ذرات بسیار پرانرژی هستند – اصولا پروتون – که در فضا می‌گردند و منشا اکثر آن‌ها خارج از منظومه شمسی است. توضیح متداول منشاء پرتوهای کیهانی کهکشانی – پرتوهای تولیدشده در راه شیری – این است که آن‌ها از بقایای ابرنواختری می‌آیند، اما تاکنون هیچ مدرک مشاهداتی بی‌ابهامی وجود نداشته است.

وقتی یک ستاره ابرانواختر می‌شود، بقایای آن – با میدان‌های مغناطیسی قوی– امکان بقای تا هزاران سال وجود دارد. بر اساس فرضیه پرتو کیهانی SNR، پروتون‌ها توسط جبهه شوک ایجادشده در ابرنواختر و سپس توسط میدان‌های مغناطیسی شتاب می‌گیرند تا انرژی کافی را برای فرار از این فرآیند کسب کنند و به پرتو کیهانی جدیدی تبدیل شوند. فرضیه ادعا می‌کند گاهی این پروتون‌های پرانرژی با دیگر پروتون‌ها برخورد می‌کنند – مثلا در ابرهای بین‌ستاره‌ای – تا پایونی خنثی تولید شود که تقریبا بلافاصله به دو فوتون گاما واپاشی می‌کند.

مشاهده پرتوهای گاما

تلسکوپ فضایی پرتوی گاما فرمی با جرم ۴۳۰۳ کیلوگرم در خرداد ۱۳۸۷ برای یک ماموریت حداقل پنج‌ساله پرتاب شد. تلسکوپ ناحیه گسترده فرمی (Fermi LAT) ابزاری بر روی این رصدخانه است که از آشکارسازهای پیچیده ذرات برای اندازه‌گیری مسیر و انرژی فوتون‌های فرودی بهره می‌برد. بین ۱۴ مرداد ۱۳۸۷ تا ۲۶ تیر ۱۳۹۱، گروه Fermi LAT ابرنواختر‌های IC 443 و W44  که به ترتیب ۵۰۰۰ و ۱۰۰۰۰ سال نوری از ما دورند، مطالعه کردند و توجه ویژه‌ای به پرتوهای گاما با انرژی زیر GeV (یک میلیارد الکترون‌ولت) نشان دادند. اگرچه پرتوهای گاما در بعضی اجرام انرژی‌های بسیار بیشتری دارند، Fermi LAT بر بازه‌ای تمرکز کرد که داد‌ه‌هایی مهمی فراهم می‌کند تا بتوان پرتوهای گامای ناشی از واپاشی پایون و پرتوهای تولیدشده مثلا از الکترون‌های شتابدار را تمیز داد.

قبل از خروج پروتون‌ها، ابرنواخترها تنها تا حد مشخصی می‌توانند آن‌ها را شتاب دهند. این موضوع کران بالایی بر انرژی این پروتون‌ها و حدی بر انرژی پایون‌های میانی و پرتوهای گامای بعدی می‌گذارد. اگرچه مهم‌تر آن که چون پایون خنثی ذره سنگینی با جرم MeV ۱۳۵(بیش از ۲۶۰ برابر جرم الکترون) است، انتظار می‌رود انرژی گاماهای ناشی از واپاشی پایون‌ها یک حداقل داشته باشد. در واقع اگر پرتوهای گاما از پرتون‌های شتابدار ابرنواختری آمده باشند، در زیر انرژی مشخصی هیچ فوتون گامایی مشاهده نمی‌شود. استفان فانک (Stefan Funk) فیزیکدانی از دانشگاه استنفورد و مرکز شتابدهنده ملی اسلک (SLAC) و عضو همکاری Fermi LAT می‌گوید: «این علامت واضحی است برای گسیل پرتو گامایی که از واپاشی پایون‌ها و تنها توسط پروتون‌های شتابدار تولید می‌شود.»

یافتن علامت واضح!

به خاطر فراوانی پرتوهای کیهانی و مدل‌های بسیار برای توضیح آن‌ها، فانک و همکاران باید قبل از تایید منبع پرتوهای گامای مشاهده‌شده چندین پس‌زمینه موثر بر داده‌ها را به حساب می‌آوردند. و آن‌ها باور دادند که عاقبت این علامت واضح را یافته‌اند.

فانک با ارجاع به طیف ابرنواختر (بر عکس بالا کلیک کنید) به فیزیک‌ورلد می‌گوید: «اگر به نقاط  داده نگاه کنید، دو [انرژی] قطع را خواهید دید: قطع انرژی بالا متناظر با انرژی بیشینه‌ای است که فوتون‌ها می‌توانند درون ابرانواختر شتاب بگیرند و قطع انرژی پایین که متناظر با قطع واپاشی پایون است؛ یعنی انرژی کمینه‌ای که پرتوهای گاما در واپاشی پایون دریافت می‌کنند». البته چندین مدل برای توضیح داده وجود دارد که یکی از آن‌ها پرتوهای گامایی است که توسط شتاب الکترون‌ها تولید می‌شود، اما گروه نتوانست داده‌ها را با هیچ‌کدام از مدل‌ها تطبیق دهند. فانک توضیح می‌دهد: «از سوی دیگر، منحنی واپاشی پایون چیزی را نشان می‌دهد که شما از پرتوهای گامای ناشی از پروتو‌ن‌هایی واپاشی‌کننده از پایون اتنظار دارید که با داده‌هاس ما بسیار سازگار است.» معناداری این مشاهدات به‌ترتیب برای IC 443 و W44 برابر 19σ و 21σ است.

جوزف ماساریک (Jozef Masarik) از دانشگاه کومنیوس- براتیسلاوا که در این پژوهش مشارکت نداشت می‌گوید: «این مقاله اطلاعات بسیار مهمی ارایه می‌دهد که بیانگر مشخصه‌های بقایای ابرنواختر از دیدگاه تولید پرتو کیهانی است. درک منشا پرتوهای کیهانی حتی در تایید یا رد بعضی از نظریات ورای مدل استاندارد نقش دارد.»

پرتوهای کیهانی ابتدا توسط ویکتور هس (Victor Hess) در اوایل قرن بیستم رصد شدند. یک قرن بعد، این نتیجه Fermi LAT اولین تایید منشا ابرنواختری پرتوهای کیهانی کهکشانی است. آن‌چه پژوهشگران هنوز نمی‌توانند بگویند این است که بقایای ابرنواختری تنها منبع این ذرات اسرارآمیز هستند.

منبع: Supernova origin of galactic cosmic rays confirmed

مرجع: Detection of the Characteristic Pion-Decay Signature in Supernova Remnants