علماء الفلك يحلون لغز الأشعة الكونية البالغ من العمر 70 عامًا

حدد الباحثون الصينيون الثقوب السوداء باعتبارها المصدر المحتمل لعنصر الطاقة العالية في “ركبة” الأشعة الكونية.

قدمت النتائج المهمة التي نشرها مرصد الدش الهوائي الكبير على ارتفاعات عالية (LHAASO) في 16 نوفمبر تقدمًا كبيرًا في تفسير لغز طويل الأمد في أبحاث الأشعة الكونية. لقد قضى العلماء عقودًا من الزمن في محاولة فهم السبب وراء إظهار طيف طاقة الأشعة الكونية انخفاضًا مفاجئًا في أعداد الجسيمات فوق 3 PeV، وهي ميزة يشار إليها عادةً باسم “الركبة”.

وظل السبب وراء هذه “الركبة” دون حل منذ أن تم التعرف عليه لأول مرة قبل ما يقرب من 70 عاما. لسنوات عديدة، اقترح الباحثون أنه قد يكون مرتبطًا بالطاقات القصوى التي يمكن تحقيقها بواسطة المصادر الفيزيائية الفلكية التي تنتج الأشعة الكونية، مما قد يمثل تحولًا من نمط قانون الطاقة في الطيف إلى آخر.

واليوم، تشير أدلة جديدة إلى تفسير أكثر وضوحا. دراستان منشورتان في مراجعة العلوم الوطنية و نشرة العلوم، أظهر أن الكوازارات الصغيرة مدعومة الثقب الأسود يعمل تراكم النظام كمسرعات جسيمات عالية الكفاءة داخل درب التبانة. ويبدو الآن أن هذه الأنظمة هي المساهمة الأكثر احتمالاً في “الركبة”، كما تلقي النتائج ضوءًا جديدًا على النشاط البدني الشديد المرتبط بالثقوب السوداء.

وشارك علماء من معهد فيزياء الطاقة العالية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة نانجينغ، وجامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة لا سابينزا في روما، والعديد من المؤسسات الشريكة في الجهود البحثية.

أول اكتشاف منهجي لأشعة جاما فائقة الطاقة

الثقوب السوداء هي من بين أكثر الأشياء غموضا في الكون. وعندما يسحبون المواد من النجوم المرافقة في الأنظمة الثنائية، فإنهم ينتجون نفاثات سريعة الحركة تخلق ما يعرف باسم “الكوازارات الصغيرة”. في الدراسة الجديدة، أعلن LHAASO عن أول اكتشاف منهجي لأشعة جاما ذات الطاقة العالية جدًا من خمسة من هذه الكوازارات الصغيرة: SS 433، V4641 Sgr، GRS 1915+105، MAXI J1820+070، وCygnus X-1.

على وجه الخصوص، وُجد أن الإشعاع عالي الطاقة الصادر عن SS 433 يتداخل مع سحابة ذرية عملاقة، مما يشير بقوة إلى أن البروتونات عالية الطاقة تتسارع بواسطة الثقب الأسود وتصطدم بالمادة المحيطة. تجاوزت طاقة البروتون في هذا النظام 1 PeV، بإجمالي خرج طاقة يبلغ حوالي 10³² جول في الثانية، أي ما يعادل الطاقة المنبعثة في الثانية من أربعة تريليونات من أقوى القنابل الهيدروجينية.

تم العثور على طاقة أشعة جاما من V4641 Sgr تصل إلى 0.8 PeV، مما يجعلها “مسرع جسيمات فائق PeV”، في حين أن الجسيمات الأم التي تولد أشعة جاما هذه لديها طاقات تتجاوز 10 PeV.

تثبت هذه النتائج أن الكوازارات الدقيقة هي مسرعات جسيمات PeV كبيرة في درب التبانة، مما يعالج مشكلة طويلة الأمد في العلوم: في حين تم التعرف على بقايا المستعرات الأعظم تاريخيًا كمصادر للأشعة الكونية، فقد أظهرت كل من الدراسات الرصدية والنظرية أنها لا تستطيع تسريع الأشعة الكونية إلى طاقات “الركبة” وما بعدها.

طفرة في قياس أطياف البروتون

ولفهم هذه الظاهرة بشكل كامل، يجب إجراء قياسات دقيقة لأطياف الطاقة للأشعة الكونية المختلفة صِنف بما في ذلك “الركبتين” الخاصة بهم ضرورية. الخطوة الأولى هي قياس طيف الطاقة لأخف النوى، وهي البروتونات. ومع ذلك، فإن الأشعة الكونية في منطقة “الركبة” متفرقة، كما أن أجهزة الكشف عن طريق الأقمار الصناعية لها قبول محدود، مما يجعل الكشف عنها أشبه بالعثور على إبرة في كومة قش. في القياسات الأرضية غير المباشرة لجزيئات الأشعة الكونية، من المستحيل تجنب التداخل الجوي. وهذا يجعل من الصعب تمييز البروتونات عن النوى الأخرى. لفترة طويلة، كان هذا القياس يعتبر مستحيلا.

في هذه الدراسة، وبالاستفادة من معدات مراقبة الأشعة الكونية الأرضية الرائدة عالميًا، طورت LHAASO تقنيات قياس متعددة المعلمات واختارت عينة إحصائية كبيرة من البروتونات عالية النقاء، مما يسمح بقياس دقيق لطيف طاقتها، بدقة مماثلة لتلك الخاصة بتجارب الأقمار الصناعية. كشف هذا القياس عن بنية طيف الطاقة التي كانت غير متوقعة على الإطلاق، حيث أظهرت بوضوح “مكونًا عالي الطاقة” جديدًا بدلاً من الانتقال البسيط بين أطياف قانون الطاقة.

كشفت النتائج الجديدة التي توصلت إليها LHAASO، جنبًا إلى جنب مع مكون الطاقة المنخفضة الذي تم قياسه بواسطة تجربة AMS-02 المحمولة في الفضاء ومكون الطاقة المتوسطة الذي تم قياسه بواسطة تجربة DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) المحمولة في الفضاء، عن وجود مسرعات متعددة داخل درب التبانة، حيث يمتلك كل منها قدرة تسارع فريدة ونطاق طاقة خاص به. تمثل “الركبة” حد تسارع المصادر المسؤولة عن توليد مكون الطاقة العالية.

ظهور صورة علمية موحدة

يشير التركيب المعقد لطيف طاقة البروتون إلى أن بروتونات الأشعة الكونية في نطاق طاقة PeV تنشأ في المقام الأول من “مصادر جديدة” مثل الكوازارات الدقيقة، والتي لها حد تسارع أعلى بكثير من بقايا المستعرات الأعظم. وهذا يمكنهم من توليد أشعة كونية ذات طاقة عالية تتجاوز “الركبة”.

ويدعم هذان الاكتشافان بعضهما البعض، ويقدمان صورة علمية شاملة. لا يمثل هذا تقدمًا كبيرًا في حل اللغز طويل الأمد حول أصل “الركبة” فحسب، بل يقدم أيضًا أدلة رصدية مهمة لفهم دور الثقوب السوداء في أصل الأشعة الكونية.

يسمح تصميم مجموعة الكاشف الهجين LHAASO باكتشاف مصادر الأشعة الكونية من خلال أشعة جاما ذات الطاقة العالية للغاية، مع تمكين القياس الدقيق لجزيئات الأشعة الكونية في محيط النظام الشمسي. يقدم هذا النهج نظرة ثاقبة لقدرات تسريع المصادر عند طاقات PeV والخصائص الطيفية التي تساهم بها في الأشعة الكونية. ولأول مرة، تم ربط بنية “الركبة” بشكل رصدي بنوع محدد من المصادر الفيزيائية الفلكية، وهو نظام الثقب الأسود النفاث.

لقد أخذ LHAASO، الذي تم تصميمه وبنائه وتشغيله من قبل علماء صينيين، زمام المبادرة في أبحاث الأشعة الكونية عالية الطاقة بسبب حساسيته في كل من الاستكشاف الفلكي لأشعة جاما والقياس الدقيق للأشعة الكونية. لقد حقق سلسلة من الاكتشافات التي لها تأثير عالمي، مما ساهم في معرفتنا بالعمليات الفيزيائية المتطرفة في الكون.

المراجع: “قياسات دقيقة لطيف طاقة بروتونات الأشعة الكونية في منطقة “الركبة”” بواسطة LHAASO Collaboration، 12 نوفمبر 2025، نشرة العلوم.
دوى: 10.1016/j.scib.2025.10.048

“انبعاث أشعة جاما ذات الطاقة الفائقة المرتبطة بأنظمة الثقب الأسود النفاث” بقلم LHAASO Collaboration، 16 نوفمبر 2025، مراجعة العلوم الوطنية.
دوى: 10.1093/nsr/nwaf496

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.