PWF Palestine: The origin of cosmic rays by Prof. Stefano Gabici

تحية لهذه الدعوة اللطيفة. حسناً، سأتحدث في الساعة القادمة عن أصل الأشعة الكونية. لقد أدركت للتو أنني عادةً ما أضع عنوان بريدي الإلكتروني على الشريحة الأولى. لقد نسيت. لذلك، في حال أردت التواصل معي بعد المحاضرة لطرح سؤال، يمكنك طلب عنوان بريدي الإلكتروني من كامل وسيقوم بمشاركته معك. حسناً.

لذلك، للحديث عن الأشعة الكونية، أولاً وقبل كل شيء، أريد أن أفصح أنني لست خبيراً في التعلم الآلي أو الذكاء الاصطناعي. ولكن في السنوات الأخيرة، قمت بهذا التمرين البسيط. قمت بعد عدد الأوراق المنشورة كوظيفة للسنوات التي تحتوي في ملخصها على كلمتي "التعلم الآلي" و"الأشعة الكونية". وترون أن هناك انفجاراً. وينطبق الشيء نفسه على "الأشعة الكونية" و"التعلم العميق". لذلك تُستخدم هذه التقنيات الآن بشكل هائل في مجال الأشعة الكونية. لذلك أعتقد أن تقديم مقدمة في فيزياء الأشعة الكونية قد يكون مفيداً لبعضكم ممن قد يلهمهم المستقبل لتطبيق تقنيات التعلم الآلي على فيزياء الأشعة الكونية.

لذا، لنبدأ بتاريخ الأشعة الكونية. بدأ تاريخ الأشعة الكونية منذ زمن طويل جداً بأداة بسيطة جداً وهي الكاشف الكهربائي، وهو أداة بسيطة للغاية. أساساً، أنت تكشف الشحنة الكهربائية. لديك قضيب معدني داخل عازل، وإذا قربت جسماً مشحوناً من القضيب، يصبح القضيب مشحوناً، وفي نهاية القضيب هناك ورقتان ذهبيتان تحصلان أيضاً على شحنة من نفس الشحنة، وبالتالي تتنافران، وتنافر هاتين الورقتين يشير إلى وجود شحنة كهربائية. حسناً، هذا هو نفس الشيء.

لذا، أساساً في عام 1785، لاحظ كولوم أنه عندما قام بشحن كاشف كهربائي، وهذا كاشف كهربائي قديم. ترون الورقتين الذهبيتين هنا، كانتا تتباعدان بسبب أن القضيب كان مشحوناً. لاحظ أنه إذا ترك الكاشف الكهربائي في المختبر بعد فترة من الوقت، فإن الكاشف الكهربائي يتفرغ تلقائياً. ثم قام فاراداي بعد ذلك بتحسين نظام العزل للكاشف الكهربائي لأنه اعتقد أنها قد تكون مشكلة في الأداة، لكنه وجد في الواقع أنها لم تكن مشكلة في الأداة، بل كان الكاشف الكهربائي يتفرغ تلقائياً.

ثم في عام 1879، قام كروكس بتجارب وحاول تغيير الهواء داخل هذه الصندوق المعزول، ورأى أن الوقت اللازم لتفريغ الكاشف الكهربائي يعتمد على ضغط الهواء. وهكذا خلص إلى أن التفريغ كان بسبب تأين الهواء داخل الكاشف الكهربائي. لكن السؤال كان، من يؤين الهواء؟

ثم في عام 1895، اكتشف بيكريل النشاط الإشعاعي. ثم اعتقد الناس أن لديهم حلاً لهذه المشكلة لأنهم قالوا: "حسناً، إذا كان لدي كاشف كهربائي مشحون، ولدي مصدر مشع، فإن المصدر المشع يبعث جسيمات نشطة. الجسيمات النشطة يمكن أن تؤين الهواء. ولذلك، إذا كان لديك كاشف كهربائي مشحون بالإضافة إلى الإلكترونات التي تولدها في هذا التأين، يمكن أن تذهب إلى الكاشف الكهربائي وتفرغه، وبالتالي بالطبع يبقى الهواء داخل الكاشف الكهربائي مشحوناً إيجابياً." حسناً.

إذن، كانت الفكرة هي أن الأرض تحتوي على نظائر مشعة، وبالتالي فإننا نتعرض باستمرار للإشعاع المؤين من الأرض. اعتقد الناس أن هذا هو حل المشكلة. وإذا كان هذا هو حل المشكلة، فبالطبع، إذا أخذت الكاشف الكهربائي الخاص بك وأبعدته عن الأرض، فيجب أن يكون التأثير أبطأ. يجب أن تتفرغ الكواشف الكهربائية ببطء أكبر.

ثم في عام 1909، قام كاهن، الأب ثيودور وولف، بالصعود إلى برج إيل. أحضر كواشف كهربائية إلى قمة برج إيل، ثم قاس المدة التي استغرقها تفريغها، ثم فعل الشيء نفسه عند قاعدة برج إيل. ومع ذلك، كان لديه بعض البيانات هنا هي الجدول من ورقته، والتي أعتقد أنها عام 1910 أو 1911. وفي الواقع، لم تكن البيانات واضحة جداً، لكنه خلص إلى أنه وجد تأثيراً كان أصغر بكثير مما كان يتوقعه، لكنه قال: "ليس لدي أي تفسير معقول آخر للتفريغ التلقائي للكواشف الكهربائية. لذا أستنتج أن هذا يجب أن يكون النشاط الإشعاعي من الأرض."

ثم كان هناك رجل آخر هذه المرة في إيطاليا، باتشيني، الذي في عام 1911 فعل شيئاً معاكساً. بدلاً من رفع الكواشف الكهربائية، أنزلها. وضع الكاشف الكهربائي تحت الماء. ذهب إلى ساحل ليفورنو، وهي مدينة في إيطاليا، ووضع الكاشف الكهربائي تحت الماء. ورأى أنه إذا وضع الكاشف الكهربائي تحت الماء، فإن هذه الكواشف الكهربائية تتفرغ بشكل أسرع. ولذلك قال إنها تتفرغ بشكل أسرع لأن الماء فوق الكاشف الكهربائي كان يحجب الإشعاع. ولذلك فهم، وكان هذا مهماً للغاية. فهم أن الإشعاع الذي يؤين الهواء داخل الكواشف الكهربائية يأتي من الأعلى وليس من الأسفل. ولذلك قال إنه يأتي من الأعلى من الغلاف الجوي.

ثم في عام 1912، كان فيكتور هيس أكثر تطرفاً. أخذ بالوناً وطار به إلى ارتفاع أكثر من 5 كيلومترات. وهنا الرسم البياني لهيس. وهذا الرسم البياني أساساً كوظيفة للارتفاع، يقيس كمية التأين التي تنتجها في الكاشف الكهربائي. وترون أن التأثير يزداد مع الارتفاع. وترون أنه في البداية هناك انخفاض صغير. وهذا ما كان يلاحظه الرجل فوق برج إيفل. لذا، أساساً، هناك انخفاض أولي لأن هناك بعض النشاط الإشعاعي من الأرض. ولكن بعد ذلك، يظهر مكون آخر، ثم يتأين الكاشف الكهربائي بشكل أسرع وأسرع كلما صعدت.

وهكذا خلص هيس، ثم قام آخرون بتجارب بمعدلات أعلى. خلص إلى أن هذا الإشعاع يأتي من خارج الغلاف الجوي، يأتي من الفضاء، وهذا هو اكتشاف الأشعة الكونية، وفي الواقع حصل هيس على جائزة نوبل، أعتقد في الثلاثينيات، لهذا الاكتشاف. لذا، تتعرض الأرض باستمرار لقصف من تدفق من الجسيمات النشطة القادمة من الفضاء. حسناً.

إذن، ما هي؟ هنا نسخت الفقرة الأولى من كتاب لطيف جداً عن الأشعة الكونية لتوم جيزر، وبشكل أساسي الأشعة الكونية هي في الغالب بروتونات، هي نوى ذرية، ولكن في الغالب بروتونات. 90٪ منها بروتونات، وتضرب الغلاف الجوي بمعدل كبير جداً. كل متر مربع يتعرض لقصف من 1000 جسيم في الثانية. وهذه الجسيمات نسبية. لذا فهي تتحرك بسرعة قريبة جداً من سرعة الضوء، ونحن، فيزيائيي الأشعة الكونية، ما نريد فعله هو فهم من أين تأتي وكيف يتم تسريعها إلى هذه الطاقات العالية جداً.

لذا، إذا قمت بقياس طاقة جسيمات الأشعة الكونية. إذا قمت بقياس التدفق عند قمة الغلاف الجوي لهذه الجسيمات، لأن الغلاف الجوي يضعف بالتأكيد هذه التدفقات، وهذا جيد لصحتنا. لذا، إذا قمت بقياس طيف هذه الجسيمات كوظيفة لطاقتها، ترون أن الألوان الثلاثة هنا تشير إلى أوقات ملاحظة مختلفة. لذا، ترون أنه عند الطاقات العالية، يكون تدفق الأشعة الكونية مستقراً جداً بمرور الوقت. لذا، لديك تدفق موحد جداً من الجسيمات التي تضرب الأرض.

إذا ذهبت إلى طاقة أقل، لنقل 10 جيجا إلكترون فولت، ترون أن التدفق يتغير بمرور الوقت، وهذا التغيير يكون متزامناً مع النشاط الشمسي. عندما تكون الشمس أكثر نشاطاً، تقل الأشعة الكونية، وعندما تكون الشمس أقل نشاطاً، تزداد الأشعة الكونية. وهذا في الواقع يخبرنا أن الشمس النشطة تعني أن الشمس تنفث رياحاً من بلازما ممغنطة. وهذه الرياح تمنع الأشعة الكونية ذات الطاقة المنخفضة من اختراق النظام الشمسي والوصول إلى الأرض. ولذلك، فإن هذا الكبت ليس بسبب انحناء الطيف الأصلي للأشعة الكونية، بل هو حقيقة أن الشمس تمنع الجسيمات ذات الطاقة المنخفضة من الوصول إلينا. لذا، سيكون الطيف الحقيقي شيئاً مثل هذا الخط الأسود. ولكن إذا كنا قريبين من الأرض، فنحن لا نعرف هذا الطيف. حسناً.

لذا، أساساً ما نراه عند الطاقات المنخفضة يتأثر بوجود الشمس، وليس طيف الأشعة الكونية في الفضاء بين النجوم بعيداً عن النظام الشمسي. حسناً. وهناك شيء إشكالي بعض الشيء هنا لأنه إذا رأيت هنا، فهذه رسمة لوغاريتمية. لذا، هذا قانون أس. لذا، عدد الأشعة الكونية ذات الطاقة E يتناقص مع الطاقة إلى مثل E مرفوعة للقوة -2.7. 2.7 هو ميل شديد، مما يعني، لنقل أننا نقول: "حسناً، هنا الشمس تؤثر على الطيف. لنفترض أن الطيف يستمر ببساطة كقانون أس إلى طاقات صغيرة بلا حدود." إذا فعلت ذلك وحسبت الطاقة الإجمالية التي تحملها هذه الأشعة الكونية. لذا، تقوم بدمج عدد الجسيمات مضروباً في طاقتها على النطاق بأكمله. ترون أنه إذا ذهبت إلى الحد الأدنى للطاقة، إذا قمت بتمديد هذه الطاقة، فإنها تنفجر. لذا، تخبرنا الفيزياء أنه عند نقطة معينة، يجب أن ينخفض الطيف الأصلي للأشعة الكونية، وإلا فإن الطاقة تنفجر. جيد جداً.

إذن، كيف نتحقق مما إذا كان هذا يحدث أم لا؟ منذ زمن طويل في عام 1977، كنتُ عمري سنة واحدة تقريباً. تم إطلاق المسبارين فوياجر 1 وفوياجر 2. وحملت هذان المسباران على متنهما كاشفين للأشعة الكونية. والمدهش في فوياجر 1 و 2 هو أنهما لا يزالان يعملان. أعني، الآن هما هنا، وترون هنا النظام الشمسي. هنا صدمة إنهاء الرياح الشمسية، وهذه هي الرياح التي تمنع الأشعة الكونية من اختراق النظام الشمسي. ثم هنا لديك صدمة أمامية لأن الشمس تتحرك بالنسبة للوسط بين النجوم. ولذلك، هنا أساساً صدمة أخرى هي الصدمة الأمامية التي تفصل مادة الرياح المصدمة عن الوسط بين النجوم. وترون أن فوياجر 1 و 2 الآن خارج المنطقة المتأثرة بوجود الشمس. ولذلك، تقيس كواشف الأشعة الكونية الخاصة بهما الآن الطيف الحقيقي للأشعة الكونية في الفضاء بين النجوم. وهذا مدهش.

هذه واحدة من رسوماتي المفضلة على الإطلاق حول الأشعة الكونية لأنك ترى السنة وهنا عدد جسيمات الأشعة الكونية في فوياجر 1 كوظيفة للوقت. وعليك أن تتخيل أنه مع مرور الوقت، كان فوياجر 1 يبتعد أكثر وأكثر عن الأرض. وترون أنه في البداية، كانت أعداد الأشعة الكونية ترتفع وتنخفض، الكثير من التباين، وكان هذا مرتبطاً بالتباين في النشاط الشمسي. وهنا هناك فترة، إنها دورية قليلاً، وتعرفون أن الفترة هي 11 عاماً، و 11 عاماً هي بالضبط الفترة التي نعرف أن النشاط الشمسي لها. وترون أنه كلما ابتعد المسبار عن الأرض، ترون أن هذه الفترة لا تزال موجودة، لكنها تصبح أقل وأقل وضوحاً لأنك تبتعد عن الشمس، وبالتالي فإن تأثير الشمس على الجسيمات الكونية أصغر. ثم ترون في نقطة ما أنكم لم تعودوا ترونها، يزداد تدفق الأشعة الكونية، وهنا لديكم سلوك مختلف جداً لأنه بعد عام 2012، إذا قمت بالتكبير هنا، ترون أننا نقوم بالتكبير. لذا، ترون أن معدلات العد تصبح مستقرة للغاية، مما يعني أساساً أنه في هذه النقطة، عبر المسبار الحاجز الحدودي، وهو السطح الذي يفصل الرياح الشمسية عن المادة بين النجوم، والآن يقيس الطيف الحقيقي للأشعة الكونية في الفضاء بين النجوم.

لذا، [يشم] أساساً هذه النقاط البيضاء الآن، وهي مستقرة للغاية بمرور الوقت، هي قياسات فوياجر. وترون أن طيف الأشعة الكونية ينحني بالفعل عند الطاقات المنخفضة. جيد جداً. ثم بالطبع، قاست فوياجر أيضاً الهيليوم والليثيوم والبريليوم وجميع العناصر في طيف الأشعة الكونية. ترون أنكم دائماً لديكم هذا الاتجاه، هذا الانخفاض في الطيف، ثم بالطبع، تقيسون أيضاً الإلكترونات. حسناً، لكن هذا فقط لإظهار أن جميع العناصر وجميع الجسيمات يتم قياسها بواسطة هذه الكواشف.

الآن، إذا قمنا بهذا التمرين، نأخذ طيف البروتونات والهيليوم والإلكترونات، وهي الأنواع الأكثر وفرة في الأشعة الكونية، ونحسب كميتين من الطيف. نقيس تدفق الجسيمات، وهذه هي الطاقة التي تحملها هذه الجسيمات. وترون أن تدفق الجسيمات للنوى تهيمن عليه الجسيمات تحت الجيجا إلكترون فولت، من الإلكترونات. نحن لا نعرف بماذا تهيمن لأننا لا نملك قياسات تحت هذا. لماذا توزيع الطاقة لهذه الجسيمات يهيمن عليه دائماً، لنقل جسيمات الجيجا إلكترون فولت. لذا، هذا يعني أنه الآن بعد أن أصبح لدينا هذا القياس بواسطة فوياجر، ونعرف أين ينحني الطيف، فإننا نتحكم في الطاقة الإجمالية للأشعة الكونية. لذا، نعرف كمية الطاقة التي لدينا بالقرب من الأرض في الأشعة الكونية، وهذه الطاقة، كثافة الطاقة للأشعة الكونية خارج الرياح الشمسية مباشرة، هي 1 إلكترون فولت لكل سنتيمتر مكعب. وهذه الكمية من الطاقة كبيرة لأن، أعني، إذا لم تكن على دراية بالفيزياء الفلكية للمجرة، فإن 1 إلكترون فولت لكل سنتيمتر مكعب هو أيضاً كثافة الطاقة للغاز بين النجوم، والطاقة الحرارية للغاز بين النجوم، وهو أيضاً كثافة الطاقة للمجال المغناطيسي بين النجوم.

لذا، عليك أن تتخيل أنه في مجرتنا، يتم تقاسم الطاقة بالتساوي بين الغاز العادي والمجال المغناطيسي والأشعة الكونية. لذا، الأشعة الكونية مهمة جداً في تطور وسلوك الحركة بين النجوم لمجرتنا. حسناً.

الآن، السؤال هو، نحن نقيس الأشعة الكونية عند قمة الغلاف الجوي أو بواسطة فوياجر خارج الرياح الشمسية مباشرة. ولكننا لا نملك، بالطبع، لأسباب واضحة، قياسات في مواقع أخرى في الكون لأننا لا نستطيع إرسال مسابير. أعني، فوياجر هو الشيء الذي بناه الإنسان والذي يبعد أكبر مسافة عن الأرض. لذا، فإن الأسئلة التي تنشأ هي: هل الأشعة الكونية ظاهرة محلية أم ظاهرة عالمية؟ ويمكننا أن نتخيل.

أولاً وقبل كل شيء، يمكننا القيام بذلك، قصف الأشعة الكونية على الأرض يؤثر على المواد الجيولوجية والبيولوجية. لذا، الأشخاص الذين يدرسون الصخور والعينات البيولوجية يمكنهم استنتاج، من بعض النظائر المشعة التي تتولد في قصف الأشعة الكونية، يمكنهم استنتاج أن تدفق الأشعة الكونية كان يجب أن يكون مستقراً على مدى المليار سنة الماضية. الآن، في مليار سنة، تقوم الشمس بعدة دورات حول مركز المجرة لأن المجرة تدور. لا. وهذا يعني أن تدفق الأشعة الكونية يجب أن يكون ثابتاً أيضاً على طول مدار الشمس الذي تقوم به في مليار سنة، تقوم الشمس بخمس دورات حول مركز المجرة. لذا، الأشعة الكونية مستقرة على الأرجح في الزمان والمكان.

وفي الواقع، هناك ملاحظة أخرى مثيرة للاهتمام جداً وهي عدم التناظر لهذه الجسيمات. لذا، أساساً، هذه الخريطة تخبرنا كم عدد الأشعة الكونية التي نحصل عليها من كل اتجاه في السماء. وترون أنه إذا نظرتم إلى اللون، يبدو أن هناك أشعة كونية أقل من هذه المنطقة من السماء، وأكثر من هذه المنطقة، وأقل قليلاً من هنا. ولكن الآن انظروا إلى المقياس. هذا هو عدم التناظر ولكنه بوحدات 10 إلى -3. لذا، هذا يعني أن هذه الاختلافات ضئيلة جداً. لذا، هذا يعني أن تدفق الأشعة الكونية متناظر للغاية. لذا، أساساً، من أي اتجاه في السماء، نرى تدفقاً مشابهاً جداً للجسيمات الكونية. حسناً.

لذا، أساساً من هذه البيانات، يمكننا تخيل ثلاثة سيناريوهات. سيناريو واحد حيث تكون الأشعة الكونية محلية جداً. لنقل أنها مرتبطة بشيء يحدث بالقرب من الشمس، ولذلك فهي تشغل منطقة قريبة منا فقط. ثم سيناريو آخر هو أن الأشعة الكونية مجرية. لذا، فهي تشغل فقط حجم المجرة. والسيناريو الثالث هو أن الأشعة الكونية كونية. لذا، الكون بأكمله مليء بالأشعة الكونية، ومن الناحية النظرية، أعني، في هذه النقطة من المناقشة، يمكننا قبول كل هذه السيناريوهات. حسناً.

كان الأصل الكوني للأشعة الكونية في الأيام الأولى لدراسات الأشعة الكونية هو المفضل، بسبب تناظر الأشعة الكونية. لذا، حقيقة أننا نرى نفس كمية الأشعة الكونية من كل اتجاه في السماء تتناسب جيداً مع الأصل الكوني، لأنه إذا كانت الأشعة الكونية في كل مكان، حسناً، فسنحصل على نفس الكمية منها من كل اتجاه. ولكن في الواقع، عليك أن تكون حذراً هنا لأن هناك مجالات مغناطيسية، والمجالات المغناطيسية يمكن أن تحرف الجسيمات المشحونة، والأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة. ولذلك، حتى في هذين السيناريوهين، يمكنك تخيل وجود تدفق متناظر جداً من الجسيمات إذا كانت المجالات المغناطيسية تجعل مسارات الأشعة الكونية متناظرة تماماً. حسناً.

لذا، دعونا نرى كيف نقرر أي من هذه السيناريوهات هو الأفضل. ثم نذهب إلى الخمسينيات، وكان لهذا الرجل هاياكاوا فكرة ذكية جداً. قال: "حسناً، نحن نعلم أنه بالقرب من الأرض لدينا هذه الكمية من الأشعة الكونية. هذا هو قياس الأشعة الكونية على الأرض. ثم نعلم أن المجرة تبدو هكذا. لذا، المجرة هي قرص يدور، والشمس في حافة هذا القرص، ثم لديك انتفاخ، ثم القرص مليء بما نسميه الوسط بين النجوم. لذا، غاز، غاز منتشر، ثم لديك هالة هنا وهي ممغنطة أساساً. لذا، هناك مجال مغناطيسي، لكن كثافة الغاز قليلة جداً جداً. لذا، أساساً كل الغاز مركز في القرص. ولذلك، قال هاياكاوا: إذا كانت الأشعة الكونية ظاهرة محلية، أي أنها مركزة فقط على طول الشمس، فإن تفاعلها مع المادة بين النجوم سينتج أيونات متعادلة. لذا، هذا بروتون في الأشعة الكونية يتفاعل مع بروتون في الوسط بين النجوم. تنتج بيون متعادل. يتحلل البيون المتعادل إلى أشعة جاما، ويمكن اكتشاف أشعة جاما بواسطة التلسكوبات."

ويجب أن تلاحظ أنه في عام 1952 لم تكن هناك تلسكوبات أشعة جاما موجودة، لأنك تحصل على أشعة جاما بطاقة جيجا إلكترون فولت أو تيرا إلكترون فولت. ولذلك، كان هاياكاوا يقول ببساطة: "إذا كان لدينا يوماً ما هذه التلسكوبات، فسنكون قادرين على رؤية هذا الإشعاع." والفكرة هي التالية. الآن لدينا هذه التلسكوبات، وترون أنه إذا نظرتم إلى السماء بأشعة جاما، ترون بوضوح فائضاً في الانبعاث من قرص المجرة. لذا، هذا يعني أن الأشعة الكونية ليست محلية، بل هي في كل مكان في القرص. ولذلك، فإن هذا يستبعد هذه الفرضية. حسناً، هاتان الفرضيتان لا تزالان قائمتين لأنه، حسناً، إذا كان لديك أشعة كونية تملأ هذه الأحجام، ولديك الغاز فقط في القرص، يمكنك أن يكون لديك تفاعلات بين الأشعة الكونية والمادة فقط في القرص. ولذلك، كلا السيناريوهين يفسران ملاحظات أشعة جاما.

إذن، كيف نميز؟ لدينا خارج مجرتنا مجرات أخرى. على سبيل المثال، على بعد حوالي 50 كيلوبارسك من المجرة، قريبة جداً. لذا، نصف قطر المجرة هو 30 كيلوبارسك. لدينا مجرة تسمى سحابة ماجلان الصغرى. ونعلم أن الفلكيين قادرون على قياس كمية الغاز الموجودة في سحابة ماجلان الصغرى. لذا، إذا افترضنا أن الأشعة الكونية كونية، أي أنها تملأ الكون بأكمله بنفس الشدة، فعندئذ إذا عرفنا كمية الغاز لدينا، نعرف عدد التفاعلات التي لدينا بين الأشعة الكونية والمادة. ولذلك، يمكننا التنبؤ بانبعاث أشعة جاما من سحابة ماجلان الصغرى من هذه المجرة الخارجية. ولذلك، يمكن القيام بذلك. والآن نعلم أننا، الآن يمكننا ملاحظة هذه المجرة. وفي الواقع، انبعاث أشعة جاما من هذه المجرة أقل بحوالي 10 مرات مما كنا نتوقعه إذا كانت الأشعة الكونية في كل مكان في الكون. مما يعني أن كثافة الأشعة الكونية في مجرتنا أكبر من كثافة الأشعة الكونية هنا. لذا، الأشعة الكونية ليست كونية. شدتها ليست ثابتة في الكون بأكمله. ولذلك، نترك السيناريو المجري. الأشعة الكونية مجرية. إنها محصورة داخل مجرتنا. حسناً.

في الواقع، ليست كل الأشعة الكونية مجرية، ولكن معظمها، لأنني أخبرتكم أن لدينا القرص في المجرة مع الكثير من الغاز. ثم لدينا منطقة تسمى الهالة، وهي منطقة ممغنطة مع القليل جداً من الغاز ولكن مع مجال مغناطيسي. وهذه الهالة لها حجم معين. ولذلك، أساساً الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة. لذا، في مجال مغناطيسي، فإنها تولد، تقوم بمسارات حلزونية بنصف قطر LMA، وهذا يزداد مع طاقة الجسيم. لذا، عندما يكون نصف قطر LMA أكبر من حجم منطقتك المحصورة، فلا يمكن حصر الأشعة الكونية في المجرة. لذا، هذا يعني أنه يمكننا فرض هذه المساواة ورؤية أن الأشعة الكونية أقل من، لنقل 10 إلى 18 إلكترون فولت، يمكن حصرها في المجرة. ولذلك، ترون أن أساساً كل هؤلاء الأشخاص مجريون. ثم هنا لدينا منطقة لا نعرف فيها، لأنها بينية بعض الشيء، وفقط هؤلاء القلة هنا عند طاقات عالية جداً هم على الأرجح من أصل خارجي. لذا، ترون أن معظم الأشعة الكونية مجرية. إنها تأتي من مجرتنا. حسناً.

الآن، شيء آخر مثير للاهتمام يمكننا القيام به مع الأشعة الكونية هو قياس التركيب. وهنا هو تركيب الأشعة الكونية. لذا، ترون هذا هو الأرقام الذرية. الأشعة الكونية هي نوى نشطة. لذا، يتم تعريفها برقم ذري، وهنا وفرة هذه الجسيمات التي نلاحظها. وفي الأخضر لديكم الأشعة الكونية، وفي الأسود لديكم وفرة النظام الشمسي على الأرض. أعني، ما نسميه الوفرة الكونية. وترون أن هناك اتفاقاً تقريبياً مع بعض الاستثناءات الكبيرة جداً. الليثيوم والبريليوم والبورون، مثل البريليوم، أكثر وفرة بمليون مرة في الأشعة الكونية مقارنة بالمادة العادية. وعناصر ما قبل الحديد مباشرة هي أيضاً بعامل 1000 أكثر وفرة في الأشعة الكونية. لذا، هذا فرق هائل. إنه ليس فرقاً صغيراً. [يشم]

ثم إذا أزلنا هذه الاختلافات الكبيرة، أي أننا نزيل هذه العناصر التي لا تتناسب مع تكويننا الشمسي. ونقوم الآن برسم النسبة بين عدد النوى لرقم ذري معين. لذا، هذا هو الهيدروجين والهيليوم وما إلى ذلك مقارنة بالوفرة الكونية. ترون أن هذا ليس خطاً مستقيماً. لذا، إذا كان لديك أشعة كونية بنفس التركيب الشمسي بالضبط، فستتوقع خطاً مستقيماً. ولكن ترون أن هناك فئتين من العناصر، وهذه فئات مختلفة من العناصر لأن هذه العناصر هي ما نسميه المتطايرات، وهذه العناصر هي ما نسميه المقاومات.

الآن، المتطايرات هي عناصر توجد في الوسط بين النجوم في الحالة الغازية. لذا، فهي في الغاز. المقاومات هي عناصر توجد في الوسط بين النجوم في الغالب في حبيبات الغبار. لذا، هذا يخبرنا أن تركيب الأشعة الكونية، إذا أردت تفسيره، فإنه يحتاج إلى الغبار. لذا، قد توفر جسيمات الغبار مصدراً للأشعة الكونية لأن هذه المقاومات أكثر وفرة في الأشعة الكونية بدلاً من [يشم] المادة العادية. ولذلك، يجب أن تلعب حبيبات الغبار دوراً. حسناً.

ثم يمكنك أيضاً إجراء قياسات التركيب النظيري. لذا، على سبيل المثال، هنا يظهر أن النسبة بين النيون 22 والنيون 20، وترون أنه في النيازك أو الوسط بين النجوم المحلي، هذه النسبة هي 0.1، في الأشعة الكونية هي 04. ترون أنه إذا نظرتم إلى تفاصيل تركيب الأشعة الكونية، فإن هذا التركيب يختلف عن التركيب الكوني العادي. وهذا في الواقع يخبرنا شيئاً مهماً آخر وهو أن النيون 22 أكثر وفرة في الأشعة الكونية، ونحن نعلم أن هناك بعض النجوم التي نسميها النجوم الغنية بالنيون والتي تتميز برياح مثل الرياح الشمسية التي تتميز بوفرة بعض العناصر، بما في ذلك النيون 22. لذا، ترون أن ملاحظة تركيب الأشعة الكونية تخبرنا بالكثير. إنها تخبرنا في هذه الحالة أن الرياح النجمية يجب أن تلعب دوراً في إنتاج الأشعة الكونية. وإلا، فلن نفسر هذا الفائض من النيون 22 في الأشعة الكونية.

الآن، دعونا نلخص الملاحظات. ما تعلمناه من جميع البيانات التي استعرضتها للتو. لذا، تعلمنا أن شدة الأشعة الكونية مستقرة جداً بمرور الوقت. إنها موزعة بشكل متجانس في المجرة. إنها مجرية. إنها متناظرة، ولذلك يجب أن يحرف المجال المغناطيسي مساراتها كثيراً لأننا نرى درجة كبيرة من التناظر. إنها تحمل الكثير من الطاقة لأننا رأينا أن الطاقة التي تحملها هي مكون مهم للوسط بين النجوم. ثم نعلم أنه في تفسير أصلها، يجب أن يلعب الغبار بين النجوم دوراً، ويجب أن تلعب الرياح النجمية دوراً. حسناً، جيد.

الآن أريد القيام ببعض الفيزياء الأكثر تقنية والإجابة على سؤال واحد. كم من الوقت تبقى الأشعة الكونية داخل درب التبانة؟ لذا، عليك أن تتخيل أنها ستُسرّع في مكان ما وبطريقة ما، لا نعرفها بعد كيف وأين، ثم ستسافر في المجال المغناطيسي للمجرة، ثم في مرحلة ما قد تهرب من المجرة. ولتقدير المدة التي تستغرقها للهروب، علينا العودة إلى الوفرة والنظر في هذه التناقضات الهائلة بين الوفرة في النظام الشمسي والوفرة في الأشعة الكونية.

إذن، كيف نفسر هذا الاختلاف؟ يُفسر هذا الاختلاف من حيث التشظي. يحدث التشظي عندما يصطدم نواة نشطة بهدف، بنواة أخرى في حالة سكون. في هذا الاصطدام، يمكنك تفتيت النوى. ولذلك، على سبيل المثال، يمكنك تخيل نواة كربون في الأشعة الكونية نشطة جداً، وهذه الكربون تصطدم بالهيدروجين، على سبيل المثال، في الوسط بين النجوم، تتفتت، وإذا فتت الكربون، فقد تنتج الليثيوم أو البريليوم أو البورون بالإضافة إلى الهيدروجين أو الهيليوم أو أي شيء آخر. لذا، هذه هي الطريقة التي تنتج بها هذه الأشعة الكونية. تقوم بتفتيت النوى الأثقل في الاصطدام بالمادة، بالمادة بين النجوم. حسناً.

وهنا بالطبع، نعرف مقاطع التصادم لهذه الاصطدامات. لذا، هذا هو مقطع التصادم، على سبيل المثال، للبروتونات مع الكربون، وتعرفون أنه يمكنك إنتاج البريليوم 11، والليثيوم 7، والليثيوم 6، والبريليوم 9، وما إلى ذلك. جيد جداً.

الآن، دعنا نفعل هذا. لنأخذ أطياف الأشعة الكونية. الآن، هذه هي طاقة الجسيم، وهذا هو عدد هذه الجسيمات التي نلاحظها، ونقسمها حسب النوع. لذا، الهيدروجين، الهيليوم، الليثيوم، البريليوم، البورون، الكربون، النيون، الأكسجين، وما إلى ذلك. الآن، الهيدروجين، نتجاهل هذا الجزء من الطاقة المنخفضة لأن هذا الانحناء هو ما قلته في البداية، إنه تأثير الشمس. لذا، نحن لا نهتم بهذا. لذا، دعونا ننظر فقط من 10 جيجا إلكترون فولت فصاعداً. انظروا إلى الهيدروجين والهيليوم والكربون والأكسجين، إنها مستوية جداً في هذا التمثيل هنا. لقد ضربت الطيف بالطاقة مرفوعة للقوة 2.7 لجعله مستوياً. لذا، هذه مستوية. الليثيوم والبريليوم والبورون حادة، الطيف ينخفض، والكربون ينخفض، ولكن أقل من الليثيوم والبريليوم والبورون. حسناً.

الآن، كيف نفسر هذه الاختلافات مع العلم أن التشظي يلعب دوراً؟ حسناً، نفترض أن العناصر التي لها طيف مستوٍ هي عناصر أولية، وأولية تعني هنا عناصر يتم تسريعها من المادة بين النجوم. لذا، تأخذ المادة بين النجوم، وتسارعها، وتنتج أشعة كونية. العناصر ذات الطيف الحاد نسميها ثانوية. لذا، هذه العناصر يتم إنتاجها، لا يتم تسريعها في الواقع، ولكنها نتيجة للتشظي، على سبيل المثال، للكربون أو الأكسجين، التي تتفاعل مع المادة بين النجوم وتنتجها. لذا، فهي لا تُسرّع. إنها ببساطة تنتج في اصطدام الكربون أو الأكسجين النشط. وماذا عن النيتروجين؟ النيتروجين، الطيف ينخفض، ولكن بشكل أقل حدة. ولذلك، نفترض أن النيتروجين مختلط. جزء من النيتروجين من أصل أولي وجزء ثانوي. حسناً.

الآن، دعنا نفعل شيئاً بسيطاً. دعنا نأخذ البورون. لذا، البورون في الأشعة الكونية أكثر وفرة بكثير من البورون في الوسط بين النجوم. ولنفترض أن كل هذا البورون ينتج عن تشظي الكربون والأكسجين. لماذا الكربون والأكسجين فقط؟ حسناً، لأنهما العنصران الأكثر وفرة في الأشعة الكونية الأثقل من البورون. لذا، ترون أن كل هذه العناصر أقل وفرة، والنيتروجين أيضاً، ترون أن هناك انخفاضاً هنا. لذا، فهو أصغر. لذا، نأخذ الكربون والأكسجين فقط، ثم نقول: حسناً، كمية البورون التي ننتجها في تفاعل الكربون والأكسجين. لذا، علينا أن نأخذ كثافة الكربون والأكسجين، نضربها في مقطع التصادم، وهو احتمال حدوث اصطدام بالمادة ينتج البورون، ثم علينا أن نضربها في سرعة جسيمات الأشعة الكونية وكثافة الهدف للوسط بين النجوم. هذا يخبرك بكمية البورون التي تنتجها لكل، لنقل، سنتيمتر مكعب في الوسط بين النجوم. حسناً.

والآن هناك نوع من المعجزة هنا. انظروا إلى الكربون والأكسجين. انظروا إلى المحور السيني والمحور الصادي، إنهما متطابقان تقريباً. الطيفان، ترون أنه بين واحد أقل بقليل من 100، وهنا نفس الشيء. لذا، إذا قمت بتراكب هذين الطيفين، فهما متماثلان تقريباً. ولذلك، يمكننا تبسيط هذا بالقول إن طيف الأكسجين يساوي طيف الكربون. ولذلك، نقوم بتبسيط هذا التعبير على هذا النحو. جيد جداً.

في هذه المرحلة، بعد أن عرفنا كمية البورون التي ننتجها، يجب أن نسأل أنفسنا كيف يتم تدمير البورون أو فقده. هناك احتمالان. الاحتمال الأول هو أن البورون يهرب من نظامنا بعد وقت معين في الوسط بين النجوم، والاحتمال الآخر هو أن البورون يخضع أيضاً للتشظي. لذا، البورون يصطدم بالهيدروجين في الوسط بين النجوم ويتحول إلى [يسعل] عنصر أخف، وبالتالي نفقد البورون. لذا، أساساً، في حالة الاستقرار، يمكننا موازنة معدل إنتاج البورون مع معدل تدمير البورون، وهو مكونان. أحدهما هو الهروب من المجرة والآخر هو التدمير بسبب الاصطدامات. حسناً.

الآن، هناك شيء غريب بعض الشيء وهو أن فيزيائيي الأشعة الكونية لا يحبون استخدام الأوقات، بل يحبون استخدام ما نسميه "جرامات". الجرامات لها وحدات جرام لكل سنتيمتر مربع وتمثل كمية المادة بين النجوم التي تمر بها الأشعة الكونية في وقت معين. حسناً. حسناً. لذا، أساساً، نقوم بتحويل الوقت، نضرب في سرعة الجسيم، وهذا يعطينا طول المسار، ثم نضرب في كثافة الكتلة، وهذا يعطينا جرام لكل سنتيمتر مربع، وهو مقدار المادة التي تراها الأشعة الكونية بعد وقت تاو. حسناً، جيد جداً.

ولذلك، يمكننا أيضاً تعريف الجرامات. لذا، الجرامات التي يجب أن تتعرض لها الأشعة الكونية للهروب من المجرة، وكذلك الجرامات التي يجب أن تتعرض لها البورون للتدمير بالتشظي. لذا، الآن معادلتنا التي نساوي فيها إنشاء البورون وتدمير البورون يمكن كتابتها بوضوح. لقد اشتققنا هذا قبل بضع شرائح، ثم نقوم ببعض التعديلات البسيطة، ونستبدل الأوقات بالجرامات، ونحصل على هذا التعبير الشهير جداً.

الآن، انسوا التفاصيل الرياضية البسيطة. هذا التعبير هو تعبير عن النسبة بين البورون والكربون في الأشعة الكونية. ماذا لدينا على الجانب الأيمن من هذه المعادلة؟ لدينا مقاطع التصادم، ومقاطع التصادم نعرفها. يتم قياسها في مسرعات. ثم لدينا كتلة البروتونات التي نعرفها، ثم لدينا جرامات البورون التي نعرفها لأن جرامات البورون تعتمد فقط على مقطع تشظي البورون ليتم تدميره. ولذلك، ترون أنه إذا قمت بقياس هذه النسبة، فأنت تقيس كمية المادة التي تحتاج الأشعة الكونية إلى عبورها قبل الهروب من المجرة. لذا، أنت تقيس وقت الهروب للأشعة الكونية من المجرة، ويتم قياس نسبة البورون إلى الكربون كوظيفة للطاقة للأشعة الكونية بواسطة فوياجر وأداة أخرى تسمى AMS2 على سبيل المثال. وترون أن هذا، هنا، البورون على الكربون ينخفض مع الطاقة.

الآن، هذا لا نفهمه. لذا، دعونا لا نتحدث عن هذا. ولكن عند الطاقات العالية، نفهم، وينخفض مع الطاقة، مما يعني أن الأشعة الكونية ذات الطاقات الأكبر لديها جرامات أقل، مما يعني أنها تعبر مادة أقل قبل الهروب. ولذلك، أساساً، هذا يعني أن الجسيمات عالية الطاقة تهرب من المجرة بشكل أسرع من الجسيمات منخفضة الطاقة. حسناً، جيد جداً.

الآن، الجسيمات عالية الطاقة تهرب بشكل أسرع. ولكن بعد ذلك، علينا، وعلينا، وهناك دقة هنا لأنه تذكرون أن المجرة هي قرص بالإضافة إلى هالة، ولديك الكثير من الكتلة، الكثير من الغاز في القرص، ولا يوجد غاز تقريباً في الهالة. لذا، كيف نجمع هذه الجرامات؟ هناك احتمالان. أحدهما هو هذا، أن الأشعة الكونية تبقى داخل القرص المجري، وتجمع هذه الجرامات، ثم في مرحلة ما تهرب من المجرة. سيناريو آخر هو أن الأشعة الكونية تفعل هذا. لذا، يمكن أن تُحصر في منطقة أكبر وهي الهالة الممغنطة، ثم يمكنها عبور القرص عدة مرات وتجمع الجرامات.

لذا، إذا قمنا بقياس نسبة البورون إلى الكربون فقط، فلا يمكننا التمييز بين هذين السيناريوهين لأنه عندما تكون الأشعة الكونية هنا في الهالة، فإنها تقضي وقتاً في المجرة ولكنها لا تجمع الجرامات لأن الغاز غير موجود هنا. حسناً. حسناً، جيد جداً.

إذن، كيف نميز بين هذين السيناريوهين؟ لأنكم ترون أنه في هذه الحالة، يمكن أن يكون الوقت الذي تقضيه الأشعة الكونية داخل المجرة أطول بكثير من هذا، لأن الأشعة الكونية يمكن أن تقضي وقتاً طويلاً في الهالة دون تجميع الجرامات. كيف نميز بين هذين؟

للتمييز بين هذين، نحتاج إلى ساعة. نحتاج إلى شيء قادر على قياس ليس الجرامات، بل الوقت. والآن، ماذا نفعل؟ نأخذ نظائر مشعة قصيرة العمر. لذا، هناك بعض النظائر غير المستقرة إشعاعياً، وبعد فترة من الوقت تتحلل، وبالتالي تُفقد. وأحدها هو البريليوم 10، والبريليوم 10 لديه عمر تحلل يبلغ حوالي مليون سنة. لذا، دعنا نعود إلى جراماتنا.

لذا، رأينا أنه عند 10 جيجا إلكترون فولت، إذا تذكرتم من هذا الرسم البياني هنا، يمكن تحويل البورون إلى الكربون إلى جرامات. باستخدام هذه الصيغة، يمكنك القيام بذلك، كل هذا تحليلي، يمكنك القيام به بقلم، إنه لطيف جداً. لذا، عند 10 جيجا إلكترون فولت، الجرامات، أي كمية المادة التي تعبرها الأشعة الكونية هي 7 جرام لكل سنتيمتر مربع. وبما أننا نعرف كثافة الوسط بين النجوم، يمكننا تحويل هذه الجرامات إلى الوقت الذي تقضيه الأشعة الكونية في الوسط بين النجوم، وهو بضعة ملايين من السنين.

الآن، إذا أخذت نواة مشعة ولكن لديها عمر تحلل أطول بكثير من هذا، فستتصرف تماماً مثل نظير مستقر، وبالتالي فهي عديمة الفائدة. لذا، ما نحتاجه هو نظير لديه عمر تحلل مشابه لهذه الأرقام. لذا، البريليوم 10 مثالي لأنه بضعة ملايين من السنين. لذا، إنه مشابه لهذا. لذا، إنها ساعة مثالية.

الآن، كيف نستخدم البريليوم 10 كساعة؟ نقيس نسبة البريليوم 10 إلى البريليوم 9، لأن البريليوم 9 عنصر مستقر. لذا، أساساً، النسبة المرصودة للبريليوم 10 والبريليوم 9 ستكون مساوية للنسبة عند الإنتاج، وتتذكرون أنها تنتج في التشظي. إنها تنتج في اصطدام الأشعة الكونية بالليثيوم والبريليوم والبورون، وهذه النسبة نعرفها، وهي تتناسب مع الوقت، مع عمر التحلل. هذا هو عامل لورنتز للجسيم، لأنه بالنسبة للجسيمات النسبية، عليك ضرب التأثير النسبي لتأخر الوقت، ولكن، حسناً، دعنا نتجاهل هذا، ولكن هذا هو الوقت الذي يستغرقه البريليوم 10 للتحلل، بينما البريليوم 9، عليك ضربه في الوقت الذي يبقى فيه في المجرة. لذا، ترون أنه أساساً يمكنك قياس كل شيء هنا باستثناء هذا، وبالتالي يمكنك عكس التعبير واستخلاص وقت الهروب للأشعة الكونية من المجرة.

وإذا قمت بذلك، إذا وضعت الأرقام، ترون أن نسبة البريليوم 9 مقاسة هنا، النقاط الصفراء. وإذا وضعت كل الأرقام، ترون أنكم تحصلون على وقت هروب يبلغ 50 مليون سنة مقابل 4 ملايين سنة التي حصلتم عليها من نسبة البورون إلى الكربون. وحقيقة أن هذين الرقمين مختلفان جداً، يخبرك أن الحل هو هذا. لذا، الأشعة الكونية محصورة لمدة 50 مليون سنة في المجرة. ولكن عندما تكون في الهالة، فإنها لا تتفاعل كثيراً مع المادة. لا تجمع الجرامات، ولكنها تفعل ذلك عندما تعبر القرص. ولذلك، عليك أن تتخيل أن الأشعة الكونية تعبر القرص مرات عديدة جداً جداً. وتبقى في المجرة لمدة 50 مليون سنة في المجموع، ولكن فقط 4 ملايين سنة في القرص. وهذا يفسر كل شيء.

الآن، يجب أن أتجاوز الكثير من الأشياء لأن الوقت يمر بسرعة. أريد فقط الانتقال إلى حل مشكلتنا. لذا، تذكروا أن السؤال لا يزال: من أين تأتي الأشعة الكونية؟ وأول رجل فهم الأمر بشكل صحيح، لنقل، هو فيكي، وهو هذا الرجل الذي لديه شخصية سيئة جداً كما ترون من هذه الصورة. وفي الواقع، كان أول رجل اقترح أن الأشعة الكونية تأتي من المستعرات العظمى. في الواقع، كتبت هذه الورقة في عام 1934، وكانت الورقة خاطئة تماماً لأنكم ترون أن الجملة الأولى كانت: "الأشعة الكونية خارج المجرة"، ونحن نعلم الآن أنها مجرية. ولكن فيكي كان رجلاً ذكياً جداً. لقد فهم أنه لتفسير الجسيمات عالية الطاقة جداً، تحتاج إلى مصادر متطرفة. تحتاج إلى مصادر قادرة على إطلاق الكثير من الطاقة. ولهذا السبب فكر في المستعرات العظمى.

الآن، لماذا يمكن للمستعرات العظمى تسريع الأشعة الكونية؟ السبب الرئيسي الذي يجعلنا نعتقد ذلك هو أننا نعلم أن لدينا في مجرتنا حوالي ثلاث مستعرات عظمى تنفجر كل قرن. ونعلم أيضاً أن كل واحدة من هذه المستعرات العظمى هي في الأساس انفجار يطلق طاقة ميكانيكية، طاقة حركية، وكل مستعر أعظم يطلق حوالي 10 إلى 51 إرغ من الطاقة. لذا، يمكنك ببساطة ضرب هذين الرقمين، طاقة انفجار واحد ومعدل الانفجار، وتحصل على طاقة لكل وحدة زمنية. لذا، تضخ المستعرات العظمى في درب التبانة 10 إلى 42 إرغ في الثانية من الطاقة الميكانيكية.

ولكن الآن تتذكرون أننا نقيس محلياً كثافة الطاقة للأشعة الكونية. تتذكرون أننا نقيس 1 إلكترون فولت لكل سنتيمتر مكعب. ثم نعلم من ملاحظات أشعة جاما أن هذه الأشعة الكونية تملأ المجرة بأكملها. لذا، يمكنك القول داخل قرص المجرة، سيكون لدينا هذه الكمية من الطاقة، كثافة الطاقة للأشعة الكونية مضروبة في حجم القرص. ولكننا أيضاً قدرنا المدة التي تقضيها الأشعة الكونية في القرص. لذا، إذا قسمنا هذا على هذا الوقت، نحصل أيضاً على طاقة، وهذه هي الطاقة التي تحتاجها لتفسير الأشعة الكونية، ثم يمكنك ملاحظة أن 10 إلى 41 هي 10 مرات أقل من 10 إلى 42. لذا، إذا كانت انفجارات المستعرات العظمى قادرة على تحويل 10٪ من طاقتها إلى أشعة كونية، فيمكنك تفسير هذه الجسيمات. وهذا لا يزال اليوم. هذه حجة قديمة جداً، ولكنها لا تزال اليوم الحجة الرئيسية التي تجعلنا نعتقد أن الأشعة الكونية تأتي من المستعرات العظمى. جيد جداً.

الآن، للاختتام، أريد أن أريكم أنه في كل مرة تقومون فيها بفرضية، يجب عليكم اختبارها. ولاختبار هذه الفرضية مرة أخرى، ذهب الناس إلى علم الفلك بأشعة جاما وقالوا: حسناً، كل مستعر أعظم يطلق في الانفجار 10 إلى 51 إرغ من الطاقة. إذا أردت تفسير الأشعة الكونية، فأنت بحاجة إلى 10٪ من هذه الطاقة، أي 10 إلى 50 إرغ، ليتم تحويلها إلى أشعة كونية. ثم نعلم أن هذه المستعرات العظمى تنفجر في الوسط بين النجوم. لذا، هذا الغاز الموجود في كل مكان في القرص، ونعرف كثافة هذا الغاز، إنها مجرد جسيم واحد لكل سنتيمتر مكعب. ولذلك، يمكن لهذه البقايا المتسارعة للأشعة الكونية أن تتفاعل مع هذه المادة لإنتاج بيونات متعادلة وإنتاج أشعة جاما.

ولذلك، قال الناس: حسناً، إذا تم تسريع الأشعة الكونية في بقايا المستعرات العظمى، فيجب أن نرى أشعة جاما. ونحن نرى ذلك. وهذه صورة لبقايا انفجار مستعر أعظم بأشعة جاما. وترون أنكم ترون قشرة جميلة هنا، وهي موجة صدمة تتوسع. وهذا يعني أن الأشعة الكونية تُسرّع بالفعل في انفجارات بقايا المستعرات العظمى، بعد، أعني، في الصدمة التي تلي انفجار المستعر الأعظم.

لذا، أساساً، أعتقد أنه يجب أن أتحرك بسرعة إلى استنتاجاتي. لذا، أساساً، يمكنك الآن اعتبار نفسك فيزيائي أشعة كونية لأنك تعرف القصة بأكملها، ويمكنك تلخيص ما أسميه الأرثوذكسية. ما يعتقده معظم الناس عن الأشعة الكونية في ثلاث نقاط رئيسية. أولاً، الطاقة التي تحتاجها لتفسير الأشعة الكونية تأتي من انفجارات المستعرات العظمى. ثم النقطة الثانية هي أن الأشعة الكونية محصورة في المجرة، ليس في القرص المجري، بل في هالة مجرية ممغنطة ممتدة. ثم تُسرّع الأشعة الكونية، وتتذكرون أن الغبار يجب أن يلعب دوراً، ونعتقد أنها تُسرّع في الصدمات التي تتولد في الوسط بين النجوم بعد انفجار مستعر أعظم.

وأختتم بهذا، وهي مجرد صورة لـ AMS. AMS هو كاشف جسيمات موجود على متن محطة الفضاء الدولية وهو كاشف أشعة كونية. ويعمل منذ 15 عاماً، وفي 15 عاماً لاحظ، كيف أقرأ هذا الرقم، 260 مليار أشعة كونية. ولهذا السبب نحتاج إلى أشخاص قادرين على التنقيب في كميات هائلة بشكل لا يصدق من البيانات. وهذا كل شيء بالنسبة لي.

>> حسناً. شكراً ستيفانو على عرضك التقديمي الرائع.

>> إنه مثير حقاً. إذا كان لدى أي شخص من المشاركين أي أسئلة، فيرجى طرحها.

>> ربما لدي سؤال، ستيفانو.

>> نعم. مثل ذلك. لماذا تبدو نطاقات الطاقة المختلفة للأشعة الكونية وكأنها تتطلب مصادر فيزيائية فلكية مختلفة، وماذا يخبرنا هذا العمل عن كيفية تسريع الكون للجسيمات؟

>> نعم. حسناً، دعني أعود إلى ذلك. هذا سؤال جيد. دعني أعود إلى هذا. حسناً، على سبيل المثال، هذا. لذا، هذا أساساً، ترون هذا هو طيف الأشعة الكونية. هذه هي طاقة الجسيم، وهذا هو عدد الجسيمات، أعني، التدفق أساساً. وأحد أكثر الأشياء إثارة للدهشة هنا هو أن هذا مقياس لوغاريتمي. لذا، لديك 11 رتبة حجم في الطاقة. هذا ضخم. أعني، أنت تذهب من طاقات صغيرة جداً في حياتنا اليومية، ولكن الجسيمات في نهاية الطيف لديها طاقات، هذا يمكن مقارنته، أعني، عندما يقوم روجر فيدرر بإرسال كرة، فإن الكرة لديها هذه الطاقة، لذا فهي طاقة مجهرية. الآن، بالطبع، لا يمكنك استخدام نفس الجسم الفلكي والآلية لشرح هذه الجسيمات وهذه الجسيمات، لأنه ببساطة لا توجد طريقة.

لذا، ما نعتقده هو أن الجزء الأكبر، أساساً، هنا يُسرّع في الأجسام المجرية، بقايا المستعرات العظمى، وهذه هي أساساً موجات الصدمة التي تتشكل والتي يمكنها تسريع الجسيمات. ثم لدينا، النقطة هي أننا لا نعرف بالضبط حتى أي طاقة يمكن لهذه الأجسام تسريع الجسيمات. ما نحبه هو الذهاب على الأقل حتى هنا، لنقول إنها تفعل كل الأشعة الكونية المجرية، ثم تنخفض، ثم تظهر مصادر أخرى هنا وتشرح هذا.

>> ولكن في الواقع، في الواقع، نحن لا نعرف لأننا لا نملك أدلة. لدينا أدلة على حقيقة أنها تُسرّع حتى هذا النطاق هنا، أكثر من نطاق تيرا إلكترون فولت، ولكن من هنا فصاعداً ليس لدينا أدلة. ولذلك، نحن نبحث عن هذه الأدلة، بناء تلسكوبات أشعة جاما على سبيل المثال، القادرة على ملاحظة طاقات أعلى، ولكننا لا نعرف، وحتى من الناحية النظرية، ليس من السهل تسريع هذه الجسيمات هنا في بقايا المستعرات العظمى.

ماذا عن خارج المجرة، وهو شيء يجب أن يظهر هنا ثم يشرح هذا هنا؟ آسف، هنا نعتقد أنه، أعني، لدينا عدة مرشحين في الواقع. الوضع أقل وضوحاً بكثير. لدينا عدة مرشحين هنا. على سبيل المثال، المجرات النشطة أو انفجارات أشعة جاما، وهي مثل الانفجارات التي هي أكثر طاقة بكثير من انفجارات المستعرات العظمى، ونادرة جداً بالطبع. أو أفكار أخرى لشرح هذا هي حتى، لنقل، تصادمات بين هياكل كونية واسعة النطاق وما إلى ذلك، ولكن الوضع هنا أقل وضوحاً بكثير من هنا، لأننا هنا نعرف تقريباً أن انفجار المستعر الأعظم يمكن أن يقوم بالجزء الأكبر، ثم بالطبع هنا لدينا بعض الشكوك، ولكن هنا ليس لدينا مرشح واحد يبرز بوضوح، لذا فهو أقل وضوحاً بكثير. نعم، إنه واضح حقاً.

هل لدى أي شخص آخر سؤال؟ هل لدى أي شخص آخر سؤال؟

>> لدي سؤال.

>> نعم.

>> شكراً جزيلاً، البروفيسور ستيفانو. أود أن أسألكم عن سلوك الأشعة الكونية، هل هو ثابت؟

>> السلوك هو، نعم. إنه جداً، أعني، في الوقت، أعتقد. إذا كنت تقصد في الوقت، نعم، إنه ثابت للغاية بمرور الوقت. والسبب هو أنه حتى لو كانت هذه الأشعة الكونية تُسرّع، تُنتج في المستعرات العظمى. لذا، في حدث متقطع، لذا عليك أن تتخيل المجرة، وثلاث مرات في القرن، انفجار، لديك انفجار، تُسرّع الأشعة الكونية، ثم انفجار، انفجار، انفجار. لذا، في غياب مجال مغناطيسي، سترى الأشعة الكونية تتغير بمرور الوقت. ولكن في الواقع، المجال المغناطيسي يعبث بجميع مسارات الجسيمات ويحتفظ بها لفترة طويلة بحيث تصل إلى حالة مستقرة، وفي النهاية ما نقوله هو أنه ثابت للغاية بمرور الوقت، ويجب أن يكون ثابتاً لمليارات السنين. نحن نعرف الآن من عدد من الملاحظات. لذا، إنه ثابت للغاية بمرور الوقت. نعم.

>> حسناً. أي شخص آخر، من فضلك؟

>> نعم، أود أن أسألكم. إذن، هل هناك قوة معينة للمجال المغناطيسي أو شذوذ في المجال المغناطيسي قد يؤثر على الأشعة الكونية، أو هل هو شيء غير معروف، أم أن له قيمة معينة حقاً؟

>> لا، نحن نعرف، حسناً، نحن نعرف جيداً قوة المجال المغناطيسي في المجرة، حوالي عدة ميكرو جاوس. لذا، عليك مقارنته، أعني، المجال المغناطيسي في الأرض، أعتقد أنه 1 جاوس، لذا فهو صغير جداً في الوسط بين النجوم، ولكنه لا يزال كافياً للاحتفاظ بالجسيمات. ما هو أقل معروف، عليك أن تتخيل أن هذا المجال المغناطيسي مضطرب جداً، لذا فهو ليس مجرد خطوط مجال مغناطيسي مرتبة، بل هو مضطرب تماماً. ولذلك، تصف عادةً المجالات المضطربة من حيث طيف الطاقة للمجال المغناطيسي. لذا، إنه تراكب لأنماط بترددات مختلفة، وطيف الطاقة يخبرك أين تكمن طاقة المجال المغناطيسي، سواء كانت على نطاق واسع أو صغير، وما إلى ذلك. وهذا شيء نعرفه، أعني، لدينا قياسات لهذا، ولكن هذه القياسات غير مباشرة تماماً، ولذلك، هذا شيء أكثر إشكالية. وهذا مهم لأن كيفية تقسيم طاقة المجال المغناطيسي إلى مقاييس مكانية مختلفة، من المهم جداً دراسة كيفية تحرك جسيمات الأشعة الكونية في هذه المجالات المغناطيسية. ولذلك، هذا في الواقع أحد الأشياء، دراسة حركة جسيمات الأشعة الكونية في المجالات المغناطيسية المضطربة هي فوضى، وهي موضوع بحث كبير. هناك الكثير من الأشخاص الذين يدرسون ما نسميه نقل الأشعة الكونية في المجالات المغناطيسية المضطربة. لذا، نحن نعرف القوة جيداً، بضعة ميكرو جاوس، ولكن الهيكل، الطوبولوجيا، من الصعب جداً تحديده.

>> أفهم. شكراً جزيلاً لك. شكراً على حديثك الجميل جداً. إنه قريب جداً من موضوع قلبي. شكراً جزيلاً لك.

>> نعم. هل لدى أي شخص آخر سؤال؟

>> إذن، في النهاية، ستيفانو، أود مرة أخرى أن أشكرك نيابة عن الجميع، نيابة عني ونيابة عن أعضاء "فيزياء بلا حدود" في هالا. إنه لشرف لنا أن نستضيفك، ونود استضافتك في فعاليات مستقبلية.

>> بالتأكيد.

>> شكراً لك.

>> وليلة سعيدة.

>> لك أيضاً. شكراً جزيلاً، وداعاً.