مسافران کیهانی کوچک با رازهای بزرگ!

سرنخ‌های مهمی درباره جهان اولیه

کد خبر: ۸۳۵۴۴۹

تاریخ: ۱۲ خرداد ۱۴۰۵ - ۱۰:۲۳

به گزارش ایران اکونومیست؛ مطالعه‌ ذرات پرسرعت موسوم به «ذرات نسبیتی»، سرنخ‌های مهمی را درباره جهان اولیه ارائه می‌دهد و به همین دلیل، این ذرات مورد علاقه ستاره‌شناسان هستند.

دانشمندان در اوایل قرن بیستم متوجه شدند که جهان یک حباب محدود نیست، بلکه یک فضای خالی همواره در حال انبساط است که در آن کهکشان‌ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند.

به نقل از استارلاست، این حرکت کهکشان‌ها که از طریق یک پدیده‌ کیهانی به نام «انتقال به سرخ» مشاهده شد، این درک را به همراه داشت که اگر به نظر می‌رسد اجرام جهان اکنون در حال دور شدن از یکدیگر هستند، حتما زمانی وجود داشته است که آنها به هم نزدیک‌تر بوده‌اند. این بازسازی مفهومی از گذشته جهان، در نهایت راه را برای مفهوم نظریه مشهور «انفجار بزرگ» هموار کرد که درک کنونی ما را از کیهان شکل داده است.

تقریباً در همان زمان که ستاره‌شناسان در حال جمع‌آوری اطلاعات جدید از آسمان‌ها بودند، فیزیکدانان نیز با معمای خود دست‌وپنجه نرم می‌کردند. معمای آنها تابش یونیزه‌کننده‌ای بود که همیشه در جو زمین شناسایی می‌شد. در ابتدا تصور می‌شد که این تابش از عناصر رادیواکتیو درون سیاره ما می‌آید، اما این موضوع بعداً زمانی که «ویکتور هس»(Victor Hess) فیزیکدان اتریشی، بین سال‌های ۱۹۱۱ و ۱۹۱۲ مجموعه‌ای از پروازها را با بالن انجام داد، رد شد.

از آنجا که فرض بر این بود این تابش از زمین می‌آید و به سمت بالا به جو ساطع می‌شود، سطح تابش باید با ارتفاع کاهش می‌یافت، اما آنچه هس یافت دقیقاً برعکس بود و سطح تابش با بالا رفتن ارتفاع افزایش می‌یافت. اگر رادیواکتیویته از زمین نبود، چه چیزی باعث این امر می‌شد؟

دانشمندان با توجه به این که خورشید بزرگترین و پرانرژی‌ترین جرم آسمان است، گمان می‌کردند مقصر این پدیده خورشید است. این فرضیه نیز توسط هس رد شد، زیرا او در ۱۷ آوریل ۱۹۱۲ که خورشیدگرفتگی تقریباً کامل بر فراز اروپا رخ داد، عمداً یک پرواز با بالن داشت. در طول این پرواز زمانی که خورشید تقریباً به طور کامل توسط ماه مسدود شده بود، سطح تابش در جو فوقانی بدون تغییر باقی ماند و نشان داد عامل دیگری در این ماجرا دخیل بوده است.

ویکتور هس در یکی از صعودهای بالن خود برای اندازه‌گیری سطح تشعشعات یونیزه‌کننده‌

اکنون می‌دانیم این تابش یونیزه‌کننده توسط جریان‌هایی از ذرات زیراتمی از اعماق فضا - عمدتاً پروتون‌ها - ایجاد می‌شود که با سرعت‌های سرسام‌آور به جو زمین برخورد می‌کنند. این ذرات موسوم به پرتوهای کیهانی آنقدر به سرعت نور - حد سرعت کیهانی - نزدیک می‌شوند که رفتارهایی را نشان می‌دهند که با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیستند. پس باید به موضوع نسبیت وارد شویم.

ذرات نسبیتی چیستند؟

نظریه نسبیت «آلبرت اینشتین» که فضا و زمان را در یک زنجیره متحد می‌کرد، می‌گفت هرچه یک جسم سریع‌تر در فضا حرکت کند، در زمان کندتر به حرکت درمی‌آید. این پدیده به عنوان «اتساع زمان» شناخته می‌شود. این امر درباره ذرات بنیادی نیز صدق می‌کند و هر ذره‌ای که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند و به اتساع زمان دچار می‌شود، در فیزیک به عنوان یک ذره نسبیتی شناخته می‌شود.

برای مثال، این اتساع زمان را می‌توان در برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین مشاهده کرد. هنگامی که یک پرتو کیهانی اولیه از اعماق فضا به یک مولکول هوا در جو برخورد می‌کند، می‌شکند و آبشاری از پرتوهای کیهانی ثانویه را ایجاد می‌کند. این پرتوهای ثانویه حاوی ذرات زیراتمی ناپایداری موسوم به «میون‌ها» هستند که تنها چند میکروثانیه دوام می‌آورند. این زمان حداقل طبق فیزیک کلاسیک برای رسیدن به سطح زمین کافی نیست.

آشکارسازهای روی زمین معمولا میون‌ها را شناسایی می‌کنند. این اختلاف با نسبیت توضیح داده می‌شود. از آنجا که میون‌ها با سرعتی نزدیک به نور حرکت می‌کنند، اتساع زمان رخ می‌دهد. از دیدگاه ما که روی سطح زمین هستیم، ساعت داخلی یک میون با حرکت در سرعت‌های بسیار بالا به شدت کند می‌شود و به آن امکان می‌دهد تا پیش از فروپاشی به سطح برسد.

ذرات نسبیتی چگونه به درک جهان کمک می‌کنند؟

از آنجا که میون‌ها از برخوردهای پرانرژی بین پرتوهای کیهانی و مولکول‌های هوا متولد می‌شوند، این پرسش پیش می‌آید که چه چیزی این پرتوهای کیهانی را در وهله اول به سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور می‌رساند. به لطف ابزارهایی مانند «تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی»(Fermi Gamma-ray Space Telescope) ناسا می‌دانیم که پرتوهای کیهانی از بقایای ابرنواخترها می‌آیند.

همان طور که توسط «انریکو فرمی»(Enrico Fermi) فیزیکدان آمریکایی ایتالیایی همنام این تلسکوپ پیش‌بینی شده است، وقتی ستاره‌های بزرگ در این انفجارهای شدید می‌میرند، امواج ضربه‌ای مغناطیسی می‌فرستند که ذرات باردار را به دام می‌اندازند و آنها را پیش از فرستادن به سراسر کیهان، تا سرعت نزدیک به نور شتاب می‌دهند.

ناسا با انتشار ویدئوی کوتاهی در پلتفرم ایکس نوشت: در هر ثانیه، هر متر مربع از جو زمین توسط هزاران ذره پرانرژی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، مورد اصابت قرار می‌گیرد

اگرچه فیزیکدانان پیشتر به مشاهده ذرات نسبیتی محدود بودند که از فضا می‌آمدند، اما امروزه علم به ما امکان داده است که با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند «برخورددهنده هادرونی بزرگ»(Large Hadron Collider)، چنین برخوردهایی را ایجاد کنیم. تأسیساتی مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ به فیزیکدانان امکان داده‌اند تا پروتون‌ها را پیش از برخورد به یکدیگر، تا سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب دهند که اساساً به ایجاد برخورد پرتوهای کیهانی در یک محیط کنترل‌شده منجر می‌شود و امکان مطالعه ذرات حاصل از این برخوردها را فراهم می‌کند.

نکته قابل توجه این است که این برخوردهای آزمایشگاهی، نگاهی اجمالی را به ماده عجیب و ناپایداری ارائه می‌دهند که به طور طبیعی در حالت نسبتاً سرد کنونی جهان وجود ندارد اما میلیاردها سال پیش درست پس از انفجار بزرگ، پیش از تولد ستاره‌ها و سیاره‌ها وجود داشته‌اند. با شبیه‌سازی شرایط جهان اولیه به این روش، شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ به دانشمندان امکان می‌دهند که عناصر سازنده کیهان را مطالعه کنند.

به این ترتیب، پژوهشگران در سال ۲۰۱۲ ذره گریزان «بوزون هیگز»(Higgs boson) را کشف کردند. بوزون هیگز که اغلب در رسانه‌ها و فرهنگ عامه از آن به عنوان «ذره خدا» یاد می‌شود، تجلی «میدان هیگز»(Higgs field) است که یک میدان نامرئی است و به ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها و الکترون‌ها هنگام تعامل با آن جرم می‌دهد.

نظریه نسبیت اینشتین می‌گوید همان طور که ذرات حامل جرم سرعت بیشتری می‌گیرند و به سرعت نور نزدیک می‌شوند، برای شتاب گرفتن به انرژی بیشتری نیاز دارند. به عبارت ساده، شتاب دادن به یک ذره حامل جرم تا سرعت واقعی نور تحت نسبیت، به انرژی بی‌نهایت نیاز دارد و کشف بوزون هیگز ثابت می‌کند که این جرم از کجا می‌آید، اما درباره خود نور چطور؟ جالب اینجاست که فوتون‌ها با میدان هیگز تعامل ندارند و از این رو جرم صفر دارند. این به آنها امکان می‌دهد تا با سرعت کیهانی در خلأ حرکت کنند.

در واقع، اکتشافات انجام‌شده در فیزیک ذرات مانند کشف بوزون هیگز، درک ما از جهان را به طرز چشمگیری افزایش داده‌اند اما اسرار کیهانی هنوز باقی مانده‌اند. به عنوان مثال، ستاره‌شناسان در اوایل قرن بیستم انتظار داشتند که انبساط جهان به دلیل گرانش جمعی همه ماده موجود در آن کند شود، اما در سال ۱۹۹۸ متوجه شدند که انبساط جهان در حال افزایش است. از آنجا که شتاب به نوعی نیرو نیاز دارد، دانشمندان فعلاً اصطلاح «انرژی تاریک» را برای توصیف این بازیگر پنهان ابداع کرده‌اند.

ماده تاریک که وجود آن از مشاهدات نجومی استنباط شده و ۸۵ درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد، برای ما نامرئی باقی مانده است و ما را از درک ویژگی‌های خود ناتوان می‌کند. رمزگشایی از این اسرار اکنون به یک تمرکز اصلی تبدیل شده است و آزمایش‌هایی در برخورددهنده هاردونی بزرگ و سایر شتاب‌دهنده‌های ذرات در حال انجام شدن هستند تا به درک این نیروهای نادیده کمک کنند.