این ذرات باردار که عمدتاً از پروتونها و هستههای اتمیِ جداشده از الکترون تشکیل شدهاند، با سرعتی نزدیک به سرعت نور در فضا حرکت میکنند. اگر دانشمندان بتوانند مسیر حرکت آنها را تا مبدأشان دنبال کنند، میتوانند درباره نیروهایی که منظومه شمسی و کهکشان راه شیری را شکل دادهاند اطلاعات ارزشمندی به دست آورند. هنگامی که پرتوهای کیهانی به زمین میرسند، بیشتر آنها توسط میدان مغناطیسی زمین منحرف میشوند، اما برخی موفق میشوند وارد جو شوند و حتی به سطح زمین برسند.
در ماه مه ۲۰۲۱، دانشمندان پروژه بینالمللی «آرایه تلسکوپی» (Telescope Array Project یا TAP) یکی از پرانرژیترین ذرات کیهانیِ مشاهدهشده تا امروز را ثبت کردند. این ذره که «آماتراسو» نام گرفت — برگرفته از نام الهه خورشید در اسطورههای ژاپنی — انرژیای باورنکردنی داشت. انرژی آن حدود ۴۰ میلیون برابر بیشتر از انرژی ذراتی بود که در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) به هم کوبیده میشوند. این ذره دومین پرتو کیهانیِ بسیار پرانرژی بود که تاکنون مشاهده شده است. اکنون، با تحلیلهایی که توسط فرانچسکا کاپل و نادین بوریـش از مؤسسه فیزیک ماکس پلانک (Max Planck Institute for Physics) انجام شده، دانشمندان یک گام به حل معمای منشأ این ذره نزدیکتر شدهاند.
زمانی که ذره آماتراسو وارد جو زمین شد، آرایه تلسکوپی در ایالت یوتا انرژی آن را بیش از ۲۴۰ اگزاآلکترونولت (EeV) اندازهگیری کرد. چنین ذراتی بسیار نادر هستند و تصور میشود که در برخی از خشنترین و افراطیترین محیطهای کیهانی تولید میشوند. در زمان کشف، دانشمندان مطمئن نبودند که این ذره یک پروتون بوده، یک هسته سبک اتمی یا حتی یک هسته سنگین مانند آهن. بررسیهای اولیه درباره منشأ آن به منطقهای موسوم به «حفره محلی» (Local Void) اشاره داشت؛ ناحیهای وسیع در همسایگی «گروه محلی» کهکشانها که تعداد بسیار کمی کهکشان یا جرم شناختهشده در آن وجود دارد.
این موضوع برای اخترشناسان یک معمای جدی ایجاد کرد، زیرا این منطقه تقریباً خالی از منابعی است که بتوانند ذراتی با چنین انرژی عظیمی تولید کنند. بازسازی انرژی پرتوهای کیهانی به خودی خود کار دشواری است و جستوجوی منشأ آنها با استفاده از مدلهای آماری نیز چالشهای زیادی دارد. کاپل و بوریـش برای حل این مشکل، شبیهسازیهای پیشرفته فیزیکی را با روشهای نوین آماری — بهویژه «محاسبه بیزی تقریبی» (Approximate Bayesian Computation) — ترکیب کردند. آنها با این رویکرد توانستند نقشههای سهبعدی از انتشار پرتوهای کیهانی و برهمکنش آنها با میدانهای مغناطیسی در کهکشان راه شیری تولید کنند.
نتایج تحلیل آنها نشان میدهد که منشأ ذره آماتراسو احتمالاً به یک ناحیه خالی و منفرد در جهان محدود نمیشود، بلکه ممکن است در گسترهای وسیعتر از محیطهای کیهانی نزدیک قرار داشته باشد. یکی از نامزدهای اصلی که تحلیل آنها پیشنهاد میکند، کهکشان «سیگار» یا M82 است؛ کهکشانی نزدیک در فاصله حدود ۱۲ میلیون سال نوری از زمین. این کهکشان به دلیل نرخ بالای تشکیل ستاره شناخته میشود. بوریـش در اینباره میگوید: «نتایج ما نشان میدهد که آماتراسو به احتمال بیشتری در یک کهکشان نزدیکِ فعال در تشکیل ستاره، مانند M82، تولید شده است، نه در ناحیهای کمچگال مانند حفره محلی.»
رویکرد این پژوهشگران، که ترکیبی از شبیهسازیهای مبتنی بر فیزیک و دادههای واقعی رصدی است، گامی مهم در جهت حل معمای منشأ آماتراسو محسوب میشود. این روش همچنین چارچوب تحلیلی تازهای برای ردیابی منابع پرتوهای کیهانی فوقالعاده پرانرژی (Ultra-High-Energy یا UHE) ارائه میدهد. افزون بر این، روش توسعهیافته توسط کاپل و بوریـش مکمل تلاشهای موجود در این زمینه است، زیرا امکان ارتباط نزدیکتر میان نظریه و مشاهدات را فراهم میکند و اطلاعات حاصل از رصدهای مختلف را در یک چارچوب واحد ترکیب مینماید.
فرانچسکا کاپل که رهبری گروه «پیامرسانهای اخترفیزیکی» در مؤسسه ماکس پلانک را بر عهده دارد، توضیح میدهد: «مطالعه پرتوهای کیهانی فوقالعاده پرانرژی به ما کمک میکند بفهمیم جهان چگونه میتواند ماده را تا چنین انرژیهایی شتاب دهد و همچنین محیطهایی را شناسایی کنیم که در آنها میتوان رفتار ماده را در شرایطی کاملاً افراطی بررسی کرد. هدف ما توسعه روشهای پیشرفته تحلیل آماری است تا بتوانیم از دادههای موجود حداکثر استفاده را ببریم و درک عمیقتری از منابع احتمالی این ذرات پرانرژی به دست آوریم.»
یافتههای این پژوهش در مقالهای با عنوان «فراتر از حفره محلی: جستوجویی دادهمحور برای منشأ ذره آماتراسو» منتشر شده که در تاریخ ۲۸ ژانویه در نشریه علمی The Astrophysical Journal به چاپ رسیده است. این مطالعه نهتنها گامی مهم در حل یکی از معماهای هیجانانگیز اخترفیزیک به شمار میرود، بلکه نشان میدهد چگونه ترکیب روشهای آماری پیشرفته با دادههای رصدی میتواند ما را به درک بهتر پدیدههای کیهانی برساند. شاید در آینده نزدیک، با توسعه ابزارهای دقیقتر و تحلیلهای عمیقتر، بتوانیم با اطمینان بیشتری بگوییم آماتراسو دقیقاً از کدام گوشه جهان به سوی زمین آمده است.
