Skip to main content
Global

20.4: الأشعة الكونية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197093

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • تعريف الأشعة الكونية ووصف تكوينها
    • اشرح سبب صعوبة دراسة أصل الأشعة الكونية، والفرضيات الرائدة الحالية حول المكان الذي قد تأتي منه

    بالإضافة إلى الغاز والغبار، توجد فئة ثالثة من الجسيمات، جديرة بالملاحظة للسرعات العالية التي تنتقل بها، في الفضاء بين النجوم. تم اكتشاف الأشعة الكونية في عام 1911 من قبل الفيزيائي النمساوي فيكتور هيس، الذي طار بأدوات بسيطة على متن بالونات وأظهر أن الجسيمات عالية السرعة تصل إلى الأرض من الفضاء (الشكل\(\PageIndex{1}\)). مصطلح «الأشعة الكونية» مضلل، مما يعني أنه قد يكون مثل شعاع الضوء، لكننا عالقون في الاسم. إنها بالتأكيد جزيئات ولها نفس التركيب تقريبًا مثل الغاز العادي بين النجوم. لكن سلوكهم يختلف جذريًا عن الغاز الذي ناقشناه حتى الآن.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{1}\): فيكتور هيس (1883—1964). يعود رائد الأشعة الكونية فيكتور هيس من رحلة منطاد عام 1912 وصلت إلى ارتفاع 5.3 كيلومتر. اكتشف هيس الأشعة الكونية في رحلات البالون هذه.

    طبيعة الأشعة الكونية

    الأشعة الكونية هي في الغالب نوى ذرية وإلكترونات عالية السرعة. تعتبر السرعات التي تساوي 90٪ من سرعة الضوء نموذجية. ما يقرب من 90٪ من الأشعة الكونية عبارة عن نوى هيدروجينية (بروتونات) مجردة من الإلكترون المصاحب لها. يشكل الهيليوم والنواة الثقيلة حوالي 9٪ أكثر. تحتوي حوالي 1٪ من الأشعة الكونية على كتل تساوي كتلة الإلكترون، وتحمل 10-20٪ منها شحنة موجبة بدلاً من الشحنة السالبة التي تميز الإلكترونات. يُطلق على الجسيم الموجب الشحنة بكتلة الإلكترون اسم البوزيترون وهو شكل من أشكال المادة المضادة (ناقشنا المادة المضادة في The Sun: A Nuclear Powerhouse).

    تعكس وفرة النوى الذرية المختلفة في الأشعة الكونية وفرة النجوم والغاز بين النجوم، مع استثناء واحد مهم. العناصر الضوئية الليثيوم والبريليوم والبورون أكثر وفرة بكثير في الأشعة الكونية منها في الشمس والنجوم. تتشكل عناصر الضوء هذه عندما تصطدم نوى الأشعة الكونية عالية السرعة من الكربون والنيتروجين والأكسجين بالبروتونات في الفضاء بين النجوم وتتفكك. (بالمناسبة، إذا لم تقم، مثل معظم القراء، بحفظ جميع العناصر وتريد أن ترى كيف يتناسب أي من العناصر التي نذكرها مع تسلسل العناصر، فستجدها جميعًا مدرجة في الملحق K بترتيب عدد البروتونات التي تحتوي عليها.)

    تصل الأشعة الكونية إلى الأرض بأعداد كبيرة، ويمكننا تحديد خصائصها إما عن طريق التقاطها مباشرة أو من خلال مراقبة التفاعلات التي تحدث عندما تصطدم بالذرات في غلافنا الجوي. يبلغ إجمالي الطاقة التي ترسبها الأشعة الكونية في الغلاف الجوي للأرض حوالي مليار فقط من الطاقة المتلقاة من الشمس، ولكنها قابلة للمقارنة مع الطاقة المستلمة في شكل ضوء نجمي. تأتي بعض الأشعة الكونية إلى الأرض من سطح الشمس، ولكن معظمها يأتي من خارج النظام الشمسي.

    من أين يأتون؟

    هناك مشكلة خطيرة في تحديد مصدر الأشعة الكونية. نظرًا لأن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة، يمكننا معرفة مصدره بمجرد النظر. الأشعة الكونية هي جزيئات مشحونة، ويمكن تغيير اتجاه حركتها بواسطة المجالات المغناطيسية. تنحني مسارات الأشعة الكونية من خلال المجالات المغناطيسية في الفضاء بين النجوم ومجال الأرض الخاص. تظهر الحسابات أن الأشعة الكونية منخفضة الطاقة قد تدور عدة مرات حول الأرض قبل دخول الغلاف الجوي حيث يمكننا اكتشافها. إذا كانت الطائرة تدور حول المطار عدة مرات قبل الهبوط، فمن الصعب على المراقب تحديد الاتجاه الذي نشأت منه. لذلك أيضًا، بعد أن تدور الأشعة الكونية حول الأرض عدة مرات، من المستحيل معرفة أين بدأت رحلتها.

    ومع ذلك، هناك بعض القرائن حول المكان الذي يمكن أن تتولد فيه الأشعة الكونية. نحن نعلم، على سبيل المثال، أن المجالات المغناطيسية في الفضاء بين النجوم قوية بما يكفي لمنع جميع الأشعة الكونية باستثناء أشدها نشاطًا من الهروب من المجرة. لذلك يبدو من المحتمل أن يتم إنتاجها في مكان ما داخل المجرة. الاستثناءات الوحيدة المحتملة هي تلك التي تتمتع بأعلى طاقة. تتحرك هذه الأشعة الكونية بسرعة كبيرة بحيث لا تتأثر بشكل كبير بالمجالات المغناطيسية بين النجوم، وبالتالي يمكنها الهروب من مجرتنا. وقياسًا على ذلك، يمكنها الهروب من المجرات الأخرى أيضًا، لذلك ربما تكون بعض الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية التي نكتشفها قد تكونت في بعض المجرات البعيدة. ومع ذلك، يجب أن يكون مصدر معظم الأشعة الكونية داخل مجرة درب التبانة.

    يمكننا أيضًا تقدير مدى انتقال الأشعة الكونية النموذجية قبل ضرب الأرض. تحتفظ العناصر الضوئية بالليثيوم والبريليوم والبورون بالمفتاح. نظرًا لأن هذه العناصر تتشكل عندما يصطدم الكربون والنيتروجين والأكسجين بالبروتونات بين النجوم، يمكننا حساب المدة التي يجب أن تنتقل فيها الأشعة الكونية في المتوسط عبر الفضاء من أجل تجربة تصادمات كافية لحساب كمية الليثيوم وعناصر الضوء الأخرى التي تحتوي عليها. اتضح أن المسافة المطلوبة هي حوالي 30 مرة حول المجرة. عند السرعات القريبة من سرعة الضوء، قد يستغرق الأمر من 3 إلى 10 ملايين سنة حتى يقطع الشعاع الكوني العادي هذه المسافة. هذا ليس سوى جزء صغير من عمر المجرة أو الكون، لذلك يجب أن تكون الأشعة الكونية قد تم إنشاؤها مؤخرًا على مقياس زمني كوني.

    أفضل المرشحين لمصدر الأشعة الكونية هي انفجارات السوبرنوفا، التي تمثل الموت العنيف لبعض النجوم (والتي سنناقشها في The Death of Stars). تنتج المادة الناتجة عن الانفجار موجة صدمة تنتقل عبر الوسط النجمي. يمكن أن تصبح الجسيمات المشحونة محاصرة وترتد ذهابًا وإيابًا عبر مقدمة موجة الصدمة عدة مرات. مع مرور كل صدمة، تعمل الحقول المغناطيسية بداخلها على تسريع الجسيمات أكثر فأكثر. في النهاية، يسافرون بسرعة قريبة من سرعة الضوء ويمكنهم الهروب من الصدمة ليصبحوا أشعة كونية. قد تعمل بعض النجوم المنهارة (بما في ذلك بقايا النجوم المتبقية من انفجارات السوبرنوفا)، في ظل الظروف المناسبة، كمسرعات للجسيمات. على أي حال، نجد مرة أخرى أن المادة الخام للمجرة غنية بدورة حياة النجوم. في القسم التالي، سننظر إلى عملية الإثراء هذه بمزيد من التفصيل.

    مهمة التلسكوب الإلكتروني الكالوريمتري (CALET)

    يمكنك مشاهدة مقطع فيديو قصير حول مهمة التلسكوب الإلكتروني الكالوريمتري (CALET)، وهو كاشف للأشعة الكونية في محطة الفضاء الدولية. ينقلك الرابط إلى «محطة الفضاء المباشرة: كاشف الأشعة الكونية لمحطة الفضاء الدولية» التابعة لناسا جونسون.

    فيديو\(\PageIndex{1}\): يتحدث المعلق في وكالة ناسا بات رايان مع الدكتور جون ويفل من جامعة ولاية لويزيانا عن التلسكوب الإلكتروني الكالوريمتري (CALET)، وهو مهمة في الفيزياء الفلكية ستبحث عن بصمات المادة المظلمة وتوفر أعلى قياسات الطاقة المباشرة للطيف الإلكتروني للأشعة الكونية.

    ملخص

    الأشعة الكونية هي جزيئات تنتقل عبر الفضاء بين النجوم بسرعة نموذجية تبلغ 90٪ من سرعة الضوء. العناصر الأكثر وفرة في الأشعة الكونية هي نوى الهيدروجين والهيليوم، ولكن توجد أيضًا الإلكترونات والبوزيترونات. من المحتمل أن يتم إنتاج العديد من الأشعة الكونية في صدمات السوبرنوفا.

    مسرد المصطلحات

    أشعة كونية
    النوى الذرية (معظمها بروتونات) والإلكترونات التي يُلاحظ أنها تضرب الغلاف الجوي للأرض بقدرات عالية للغاية.