عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.
محاكاة شعاع موحد في البداية من الإلكترونات والبوزيترونات المتفاعلة مع البلازما. عندما ينتقل الشعاع عبر بلازما الخلفية، تصبح البوزيترونات (الحمراء) مركزة بينما تنتشر الإلكترونات (الزرقاء) لتشكل سحابة محيطة. يوضح هذا الفيزياء وراء “عدم استقرار الشعيرة الحالي”، والذي يُعتقد أنه يلعب دورًا رئيسيًا في انتشار وديناميكيات النفاثات الكونية. تم إجراء المحاكاة باستخدام كود OSIRIS للجسيمات في الخلية، وهي من بين أكبر عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها على الإطلاق لمثل هذه التفاعلات بين الحزمة والبلازما. | المصدر: بابلو جيه بلباو ولويس أو سيلفا (GoLP، المعهد العالي التقني، لشبونة وجامعة أكسفورد).
في تجربة هي الأولى من نوعها، أعاد العلماء إنشاء “كرات نارية كونية” هنا على الأرض في مسرع الجسيمات. وتهدف التجربة إلى التحقق من استقرار نفاثات الغاز أو البلازما ذات درجة الحرارة العالية المنفجرة على الأرض عن طريق تغذية محركات مجرية فائقة الكتلة تعمل بالطاقة من خلال الثقب الأسود تسمى المتوهجات. وهذا بدوره يمكن أن يحل لغز المجالات المغناطيسية المخفية وأشعة غاما المفقودة عالية الطاقة.
تعاون علماء من جامعة أكسفورد ومرفق الليزر المركزي (CLF) التابع لمجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (STFC) وتحولوا إلى Super Proton Synchrotron الموجود في منشأة HiRadMat (الإشعاع العالي للمواد) التابعة لـ CERN لتوليد أزواج إلكترون-بوزيترون. ثم قاموا بتفجير هذه المادة المادة المضادة أزواج نظيرة من خلال 3.3 قدم (1 متر) من البلازما، مما يعيد خلق الظروف في نفاثات التغذية الثقوب السوداء الهائلة المعروف باسم الحلل. وقد مكنهم ذلك من محاكاة بعض الفيزياء الأكثر تطرفًا في الكون.
وقال بوب بينغهام، عضو الفريق والباحث في جامعة ستراثكلايد، في بيان: “توضح هذه التجارب كيف يمكن للفيزياء الفلكية المعملية اختبار نظريات الكون عالي الطاقة”. “من خلال إعادة إنتاج ظروف البلازما النسبية في المختبر، يمكننا قياس العمليات التي تشكل تطور النفاثات الكونية وفهم أصل المجالات المغناطيسية في الفضاء بين المجرات بشكل أفضل.”
ما الحرائق؟
البلازارات هي مجموعة فرعية من نوى المجرة النشطة (AGN)، وهي مناطق مركزية من المجرات التي تهيمن عليها ثقوب سوداء هائلة الكتلة تغذيها بشدة ملايين أو حتى مليارات المرات من كتلة الشمس. هذه العمالقة الكونية محاطة بسحب دوامية مسطحة من الغاز والغبار تسمى أقراص التراكم التي تتوهج بشكل مشرق بسبب الاحتكاك الناتج عن تأثير الجاذبية الهائل للثقب الأسود المركزي.
تقوم أقراص التراكم هذه بإسقاط المادة تدريجيًا في فم الثقب الأسود، ولكن لا يتم استهلاك كل المواد المحيطة بالثقوب السوداء. تقوم المجالات المغناطيسية القوية بتوجيه بعض المادة إلى أقطاب الثقب الأسود، حيث تتسارع إلى ما يقرب من سرعة الضوء وتنفجر على شكل نفاثات مزدوجة من البلازما. Blazar هو الاسم الذي يطلق على AFNs التي توجه إحدى نفاثات البلازما هذه نحو الأرض مباشرة. تنتج هذه النفاثات إشعاعات أشعة جاما مكثفة، والتي يمكن اكتشافها هنا على الأرض بواسطة التلسكوبات الأرضية. ولكن هناك شيء مفقود.
عندما تنفجر أشعة جاما عبر الفضاء بين المجرات، فإنها تبعثر الفوتونات في ضوء الخلفية من النجوم، مما يخلق المادة على شكل إلكترونات والمادة المضادة على شكل بوزيترونات. هذه أزواج المادة والمادة المضادة يجب ينبعث من حقل إشعاعي أحفوري كوني يملأ الكون في كل مكان، ويسمى “خلفية الميكروويف الكونية“أو “CMB”، وهو بقايا من حدث وقع بعد وقت قصير من الانفجار الكبير.
من المفترض أن يؤدي هذا التشتت إلى إنشاء أشعة جاما ذات طاقة منخفضة يمكن التقاطها بواسطة تلسكوبات أشعة جاما الفضائية، مثل مركبة فيرمي الفضائية. ومع ذلك، حتى الآن، فإن مثل هذا الكشف عن أشعة جاما منخفضة الطاقة قد استعصى على هذه الأجهزة.
يساعد! أشعة جاما لدينا مفقودة!
هناك بعض النظريات حول سبب اختفاء أشعة جاما منخفضة الطاقة. تشير إحدى الأفكار إلى أن أزواج الإلكترون والبوزيترون تنحرف عن طريق المجالات المغناطيسية الضعيفة بين المجرات، وأن هذا يؤدي إلى ارتداد أشعة جاما منخفضة الطاقة بعيدًا عن خط رؤيتنا. اقتراح آخر هو أن أزواج المادة والمادة المضادة تصبح غير مستقرة أثناء انتقالها عبر المادة المتناثرة للغاية المنتشرة بين المجرات. وقد يؤدي ذلك إلى تقلبات صغيرة في تيار هذه النفاثات التي تولد مجالات مغناطيسية تسبب المزيد من عدم الاستقرار. وستكون النتيجة النهائية هي تبديد طاقة الشعاع. الاحتمال الآخر هو أن هناك بقايا مجال مغناطيسي موجود بين المجرات والذي بقي من الكون المبكر ويزعج أشعة غاما منخفضة الطاقة.
وفي اختبار هذين المفهومين الأولين، توصل فريق العلماء إلى بعض النتائج المفيدة والمدهشة للغاية. وكان الفريق يتوقع أن ينتشر الشعاع ويتعطل. ومع ذلك، فإن ما لاحظوه في الواقع هو شعاع حافظ على شكله الضيق مع القليل من الاضطراب وغياب الاضطراب الذي يولد المجالات المغناطيسية. الآثار المترتبة على ذلك هي أن عدم استقرار شعاع البلازما أضعف من أن يفسر فقدان أشعة جاما منخفضة الطاقة. وهذا يمكن أن يدعم فكرة وجود مجال مغناطيسي بقايا موجود في الوسط بين المجرات، وهي المادة التي تنجرف بين المجرات.
تم تثبيت تجربة Fireball في منطقة تشعيع HiRadMat. | الائتمان: جيانلوكا جريجوري.
وتثير النتائج أسئلة إضافية. على وجه الخصوص، بما أن الكون المبكر كان متجانسًا للغاية، فمن غير المعروف كيف تم زرع مثل هذه البقايا في الكون البدائي. قد تتضمن الإجابة على هذا اللغز البحث عن فيزياء خارج النموذج القياسي، وربما باستخدام مرافق مستقبلية مثل مرصد مصفوفة تلسكوب شيرينكوف (CTAO).
يقول سوبير ساركار، عضو الفريق والباحث في جامعة أكسفورد: “لقد كان من الممتع جدًا أن أكون جزءًا من تجربة مبتكرة مثل هذه التي تضيف بعدًا جديدًا للبحث الحدودي الذي يتم إجراؤه في CERN – ونأمل أن تثير نتائجنا المذهلة اهتمام مجتمع الفيزياء الفلكية البلازمية بإمكانيات التحقيق في الأسئلة الكونية الأساسية في مختبر فيزياء الأرض عالية الطاقة”.
نُشر بحث الفريق يوم الاثنين (3 نوفمبر) في مجلة PNAS.