يجري حاليًا إنشاء مرصد أشعة جاما من “الجيل التالي” لاستكشاف الكون المتطرف

لقد ولت الأيام التي كان الفلكيون يدرسون فيها السماء باستخدام التلسكوبات البصرية البسيطة فقط. اليوم ، كشف النقاب عن ألغاز الكون ينطوي على منشآت أكبر وأكثر تعقيدًا تكتشف أشياء مثل موجات الجاذبية وأشكال مختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي – طيف الطاقة الذي يتضمن الضوء المرئي والأشعة السينية.

أحد الفروع المتخصصة في علم الفلك هو علم فلك أشعة جاما. إنه يفعل ما يُقال على القصدير ، باحثًا عن أشعة جاما ، وهي الفوتونات الأكثر نشاطًا (جسيمات الضوء) في الطيف الكهرومغناطيسي. في الواقع ، هم أكثر نشاطًا بملايين المرات من الضوء الذي نراه.

في علم الفلك ، تنتج أشعة جاما عن بعض الأحداث الأكثر سخونة وطاقة في الكون ، مثل انفجارات النجوم والثقوب السوداء “التي تتغذى” بعنف على المادة المحيطة. بينما ترتبط أشعة جاما الآن بعشرات الأنواع المختلفة من المصادر ، في كثير من الحالات ما زلنا لا نعرف بشكل قاطع أنواع الجسيمات النشطة التي تنتج هذه الأشعة.

ومن المثير للاهتمام أن علم فلك أشعة جاما من المقرر أن يحصل على تقدم هائل مع منشأة جديدة. بمجرد اكتمال مصفوفة تلسكوب Cherenkov الموزعة عالميًا (CTA) ، ستشاهد سماء أشعة جاما بحساسية أكبر بعشر مرات مما هو ممكن حاليًا.

مع وجود أكثر من 60 تلسكوبًا ، من المتوقع أن توفر CTA نظرة عميقة لطبيعة المادة المظلمة – وهي نوع افتراضي غير مرئي من المادة يشكل حوالي 85٪ من كتلة الكون. يمكن أن تساعد المصفوفة أيضًا في حل أحد أطول الألغاز في علم الفلك: من أين تأتي جسيمات الأشعة الكونية (النوى النشطة والإلكترونات في مجرتنا وما بعدها). ترتبط أشعة جاما بهذه الجسيمات ، مما يوفر وسيلة لتتبعها.

اقرأ المزيد: لماذا يؤمن علماء الفلك بالمادة المظلمة؟

ومضات من الفضاء الخارجي

وُلد علم فلك أشعة جاما في أوائل الستينيات من القرن الماضي عندما تم تطوير أقمار صناعية في الفضاء للبحث عن الإشعاع النشط من الفضاء الخارجي.

قامت مهمة فيرمي التابعة لوكالة ناسا ، والتي تم إطلاقها في عام 2008 إلى مدار أرضي منخفض ، بتصنيف عدة آلاف من مصادر أشعة جاما. تستمر مركبة فيرمي الفضائية في توفير تغطية حية للسماء على مدار 24 ساعة ، حيث تقيس أشعة جاما مع طاقات تصل إلى عدة 1000 جيجا إلكترون فولت في الطاقة. هذا حوالي تريليون ضعف طاقة الضوء المرئي.

لدراسة أشعة جاما ذات الطاقات الأعلى ، نحتاج إلى استخدام الأساليب الأرضية. على الرغم من أن الغلاف الجوي للأرض يحمينا من الإشعاع الصادر من الفضاء الخارجي ، فلا يزال بإمكاننا اكتشاف الآثار الثانوية لهذا التدريع على الأرض.

هذا لأنه عندما تتفاعل أشعة جاما مع الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تطلق سلسلة كهرومغناطيسية أو “دش هوائي” لأكثر من مليار جسيم ثانوي. هذه الجسيمات هي في الغالب إلكترونات وشريكاتها المضادة للمادة تسمى البوزيترونات. تساهم حمامات الهواء هذه بحوالي 30-50٪ من الإشعاع الطبيعي الذي نشعر به في حياتنا.

جعل غير المرئي مرئيا

على الرغم من أنه لا شيء يمكن أن يكون أسرع من سرعة الضوء في الفراغ ، إلا أن الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات والبوزيترونات (الإلكترونات المضادة) يمكنها في الواقع أن تتحرك أسرع من الضوء عندما تتحرك في الهواء.

عندما يحدث هذا ، يتم إنشاء موجة الصدمة على شكل وميض من الضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية. سمي هذا الوميض ، المسمى بإشعاع Cherenkov ، على اسم الفيزيائي السوفيتي بافل شيرينكوف الذي اكتشف هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1934 (وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1958 عن ذلك مع اثنين من زملائه). يمكن رؤية التوهج الأزرق لإشعاع Cherenkov في برك تبريد المياه المحيطة بمفاعلات الطاقة النووية.

على مستوى الأرض ، يمكن للتلسكوبات المزودة بمرايا كبيرة وكاميرات حساسة اكتشاف ضوء Cherenkov الناتج عن أشعة جاما التي تضرب غلافنا الجوي. تحتاج هذه الكاميرات إلى حوالي عشرة نانو ثانية فقط لالتقاط وميض شيرينكوف مقابل الخلفية الساطعة لضوء النجوم وضوء القمر.

تم تطوير أول تلسكوبات شيرينكوف في الستينيات. بعد العديد من المتغيرات ، كان تلسكوب ويبل في الولايات المتحدة هو الذي اكتشف في عام 1989 فوتونات أشعة جاما القادمة من سديم السرطان.

كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف أشعة جاما ذات طاقات تزيد عن 1000 جيجا إلكترون فولت (أو 1 تيرا إلكترون فولت ، TeV). وهكذا ، وُلد علم فلك أشعة جاما تيرا-إلكترون فولت.

البحث عن التطرف

اليوم ، اكتشفت أفضل ثلاث منشآت لأشعة غاما TeV في العالم – HESS في ناميبيا ، MAGIC في La Palma ، إسبانيا و VERITAS في أريزونا – أكثر من 200 مصدر من مصادر أشعة جاما TeV. ترتبط هذه الأشعة القوية بالمناطق الكونية لتسريع الجسيمات ، مثل النجوم النابضة وبقايا المستعرات الأعظمية والعناقيد النجمية الضخمة والثقوب السوداء فائقة الكتلة في مجرة ​​درب التبانة والمجرات الأخرى.

أظهر HESS أن مجرتنا درب التبانة غنية بـ “ضوء” أشعة جاما TeV ، بما في ذلك في مركز المجرة.

تُرى أشعة جاما TeV أيضًا من انفجارات أشعة جاما الغامضة وغيرها من الأحداث العابرة العابرة. تعمل هذه الآن على إعلام فهمنا للظروف القاسية التي تتكون فيها أشعة جاما.

سيستخدم الجيل التالي من CTA الدروس المستفادة من HESS و VERITAS و MAGIC ، من خلال زيادة عدد التلسكوبات المنتشرة على الأرض إلى أكثر من 60 تلسكوبًا. ستستخدم CTA أيضًا مزيجًا من ثلاثة أحجام تلسكوبات مختلفة مُحسَّنة لثلاثة نطاقات طاقة لأشعة جاما ، مما يوفر أداءً و “حدة” غير مسبوقين.

سيكون لها صفائف في موقعين على الأرض: واحد في بارانال ، تشيلي (51 تلسكوبًا) في نصف الكرة الجنوبي ، والآخر في لا بالما (13 تلسكوبًا) في نصف الكرة الشمالي.

اجتذبت CTA عضوية أكثر من 1000 عالم ، بما في ذلك علماء أستراليون من سبع جامعات. إنه يتقدم بشكل جيد ، حيث اكتشف أول تلسكوب شمالي بالفعل أشعة جاما من سديم السرطان والعديد من توهجات أشعة جاما من المجرات النشطة التي تعمل بواسطة الثقوب السوداء الهائلة.

في غضون بضع سنوات ، نتوقع أن نرى أول تلسكوبات جنوبية تكتشف أيضًا أشعة جاما ، مما يؤدي إلى المزيد من الاكتشافات. مع CTA ، سيكون لدينا رؤى جديدة حول مكان حدوث تسارع الجسيمات الشديد في مجرتنا درب التبانة.

اقرأ المزيد: عصر جديد من علم الفلك يكشف عن أدلة حول الكون