پرتو کیهانی

پرتوهای کیهانی ذراتی هستند که در فضای خارج از اجرام آسمانی تولید شده و به جو این اجرام برخورد می‌کنند. در مورد کره زمین، این امواج در عبور از جو زمین و برخورد با ذرات اتمسفر به ذرات مختلفی مانند مزون‌ها و پوزیترون‌ها تبدیل می‌شوند.

این پرتوها که شامل الکترون و هسته‌های کاملاً یونیزهٔ اتم است، از تمام راستاها به مقدار برابر دریافت می‌شود. راستای ورود، سرچشمهٔ آن‌ها را روشن نمی‌کند، چرا که پرتوهای کیهانی ذراتی باردار هستند؛ از این رو در زمان حرکت از میان میدان‌های مغناطیسی راه شیری، مسیر آن‌ها پیوسته تغییر می‌کند. انرژی بالای پرتوهای کیهانی نشان‌دهندهٔ آن است که آن‌ها باید در فرایندهای پرانرژی، مانند انفجارهای ابرنواختری، به‌وجود آمده باشند. پروتون با حدود ۹۰٪ و هستهٔ هلیوم با ۱۰٪ بیش‌ترین سهم را در این پرتوها دارند. البته مقدار اندکی هسته‌های سنگین‌تر نیز یافت می‌شود که انرژی آن‌ها بین ${{10}^{8}}$ تا ${{10}^{20}}\,{\text{eV}}$ است. از برخورد پرتوهای پرانرژی کیهانی و مولکول‌های جو، تابش ثانویه پدید می‌آید. این تابش را می‌توان از روی زمین رصد کرد، در حالی که برای مشاهدهٔ مستقیم پرتوهای کیهانی باید از جو خارج شد. آشکارسازهای مورد استفاده برای رصد پرتو کیهانی شبیه به آن‌هایی است که در فیزیک ذرات به‌کار می‌رود. با توجه به اینکه ذرات در شتاب دهنده‌های زمینی حداکثر به انرژی ${{10}^{12}}\,{\text{eV}}$ می‌رسند، پرتوهای کیهانی یک آزمایشگاه طبیعی عالی در پیش روی فیزیک ذرات قرار می‌دهند. بسیاری از ماهواره‌ها و فضاپیماها مجهز به آشکارسازهای پرتو کیهانی هستند.[1]

تاریخچه

در سال ۱۹۱۲ ویکتور هس فیزیکدان اتریشی به دنبال حل معمای کم شدن بار اجسام باردار الکتروسکوپ‌هایی را در نقاط مختلف زمین نصب کرد و از تغییر میزان شدت کاهش بار نتیجه گرفت منشا پرتوهای باردار خارج از زمین است. در سال ۱۹۲۶ رابرت میلیکان به آن نام پرتو کیهانی را داد و به ویکتور هس به کشف پرتوهای کیهانی در سال ۱۹۳۶ جایزه نوبل فیزیک رسید.[2]

ذرات ورودی

ذرات اولیه که به جو زمین وارد می‌شوند شامل ۹۲.۹ درصد پروتون،۶.۳ درصد هسته هلیوم(ذره آلفا)،۰.۱۳ درصد هسته عناصر لیتیوم، برلیوم و بور ۰.۴ درصد هسته عناصر کربن، نیتروژن، اکسیژن و فلوئور ۰.۱۸ هسته عناصر سنگین و ۰.۰۵ هسته عناصر بسیار سنگین است.[3]

منابع ذرات

منابع این ذرات به ترتیب انرژی (از انرژی کمتر به بیشتر) عبارتند از:ستاره نوترونی، کوتوله سفید، لکه‌های خورشیدی، هسته‌های فعال کهکشانی، فضای میان‌سیاره‌ای، باقیمانده ابرنواختر، دیسک کهکشان، هاله کهکشان، خوشه‌های کهکشانی[2]

با این حال هنوز بخش‌های زیادی از منابع پرتوهای کیهانی ناشناخته مانده‌است.[4]

ورود ذرات به زمین

یک طرح‌واره از مقیاسی کوچک برای واپاشی ذرات پرتو کیهانی

ذرات پس از نزدیک شدن به زمین به علت وجود مغناطوکره دور زمینی در شعاعی خاص می‌چرخند[5] و پس از برخورد با جو واپاشی می‌کنند و ذرات واپاشی شده خود نیز در مسیر خود به سوی زمین واپاشی می‌کنند و به همین منوال ادامه پیدا می‌کنند تا به سطح زمین برسند و تعداد ذرات به زمین رسیده نسبت مستقیم با انرژی ذره اولیه دارد به مجموعه ذرات به زمین رسیده آبشار می‌گویند و در صورت بزرگ بودن این انرژی (در محدوده UHECR و بالاتر) به آن بهمن گسترده هوایی[6](EAS) می‌گویند.

طیف انرژی

طیف انرژی پرتوهای کیهانی (عرض:میزان شارش و طول:انرژی ذره اولیه).

در طیف انرژی این پرتوها چهار شکستگی وجود دارد:

نام	نام انگلیسی	انرژی
زانو	Knee	۱۰^۱۶ eV‎[5]‏
زانوی دوم	second knee	۶‎×۱۰^۱۷ eV‎[7]‏
قوزک	Ankle	۴‎×۱۰^۱۸ ‎[5]‏ eV
شکستگی GZK	GZK cut-off	۴‎×۱۰^۱۹ eV‎[5]‏

بین تعداد و انرژی رابطه دیفرانسیلی زیر برقرار است[5]:

N(E)dE=const.E^{-2.7}dE-E<E_{knee}\!

N(E)dE=const.E^{-3.0}dE-E_{knee}<E<E_{ankle}\!

N(E)dE=const.E^{-2.69}dE-E_{ankle}<E<E_{GZK}\!

N(E)dE=const.E^{-4.2}dE-E_{GZK}<E\!

که در آن:

E انرژی

N تعداد است.

رصدخانه‌ها

برای رصد پرتوهای کیهانی از آشکارسازهای ذرات مانند آشکارساز چرنکوف و آشکارساز فلوئورسنس استفاده می‌شود.[8]

معروف‌ترین رصدخانه‌های پرتو کیهانی عبارتند از:

رصدخانه پیر اوجر:در مندوزا، آرژانتین قرار دارد و محیطی بالغ بر ۳٬۰۰ کیلومتر مربع را برای آشکارسازی بهمن‌های گسترده هوایی پوشش می‌دهد. و اکثر فعالیت این بخش روی پرتوهای کیهانی با انرژی بسیار زیاد(UHECR) است.[2]
رصدخانه آگاسا:در آکنو، ژاپن که از سال ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۴ فعال بود[2]
رصدخانه های‌رس:در داگ‌وی یوتا، آمریکا قرار دارد.[2]
رصدخانه آماندا:در قطب جنوب برای آشکارسازی نوترینوها به کار می‌رود[9] ولی از آن برای تحلیل اطلاعات دیگر پرتوهای کیهانی هم استفاده می‌شود.

شبیه‌سازی

برای شبیه‌سازی برخورد پرتوهای کیهانی با جو زمین و تولید آبشار از برنامه کورسیکا(CORSIKA) استفاده می‌شود

کنفرانس بین‌المللی پرتوهای کیهانی

اثرات روی زمین

با بررسی دوره یازده ساله سیکل خورشیدی اثبات شد که پرتوهای کیهانی ناشی از خورشید در کاهش ضخامت لایه اوزن مؤثر است.[10]

جستارهای وابسته

حد جی‌زدکا

منابع

کتاب مبانی ستاره‌شناسی، صفحه ۸۹
Bauleo, pablo. "The dawn of particle astronomy era in ultra-high-energy cosmic rays". Nature (به English). 458: 847–851. doi:10.1038/nature07948. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
S.L., Kakani (2008). "Cosmic rays". Nuclear and Particle Physics (به English). Viva books Private limited. p. 896. ISBN 978-81-309-0040-7. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
wakely, scott. "The Universe in detaile". Astronomy (به English). 34: 42–47.
Perkins, Donald (2009). "229-244". Particle Astrophysics (به English). OUP. ISBN 978-0-19-954545-2.
هدایتی خلیل‌آباد (1388). روشی دیگر برای یافتن مکان هسته‌های بهمن‌های گسترده هوایی. کنفرانس فیزیک ایران. pp. ۲۲۸-۲۳۱. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
Codino, Antonio (2009). "Consequences of the common origin of the knee and ankle in Cosmic ray physics" (به English). Elsevier: 228–239.
Andreas Haungs. "Energy spectrum and mass compsition of high-energy cosmic ray". Rep. Prog. Phys. (به English). IOP: 1152. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
Sarkar, Utpal (2008). "Dark matter and Dark energy". Particle and Astroparticle Physics. High Energy Physics,Cosmology and Gravition (به English). Taylor and Farcis. pp. 471. ISBN 1-58488-931-4.
Lu, Q. -B (19 March 2009). "Correlation between Cosmic Rays and Ozone Depletion". Physcal Rev. Let. (به English). doi:10.1103/PhysRevLett.102.118501.

کارتونن، هانو. مبانی ستاره‌شناسی. ترجمهٔ غلامرضا شاه‌علی. شیراز: انتشارات شاهچراغ. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۲۶۳۲-۷۴-۹.

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ پرتو کیهانی موجود است.

رصدخانهٔ البرز، رصدخانهٔ پرتوهای کیهانی دانشگاه صنعتی شریف
آکادمی علوم فضایی ایران

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] کتاب مبانی ستاره‌شناسی، صفحه ۸۹

[nature-2] Bauleo, pablo. "The dawn of particle astronomy era in ultra-high-energy cosmic rays". Nature (به English). 458: 847–851. doi:10.1038/nature07948. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[VIVA-3] S.L., Kakani (2008). "Cosmic rays". Nuclear and Particle Physics (به English). Viva books Private limited. p. 896. ISBN 978-81-309-0040-7. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[astro-4] wakely, scott. "The Universe in detaile". Astronomy (به English). 34: 42–47.

[donald-5] Perkins, Donald (2009). "229-244". Particle Astrophysics (به English). OUP. ISBN 978-0-19-954545-2.

[6] هدایتی خلیل‌آباد (1388). روشی دیگر برای یافتن مکان هسته‌های بهمن‌های گسترده هوایی. کنفرانس فیزیک ایران. pp. ۲۲۸-۲۳۱. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[elsevier-7] Codino, Antonio (2009). "Consequences of the common origin of the knee and ankle in Cosmic ray physics" (به English). Elsevier: 228–239.

[8] Andreas Haungs. "Energy spectrum and mass compsition of high-energy cosmic ray". Rep. Prog. Phys. (به English). IOP: 1152. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[9] Sarkar, Utpal (2008). "Dark matter and Dark energy". Particle and Astroparticle Physics. High Energy Physics,Cosmology and Gravition (به English). Taylor and Farcis. pp. 471. ISBN 1-58488-931-4.

[10] Lu, Q. -B (19 March 2009). "Correlation between Cosmic Rays and Ozone Depletion". Physcal Rev. Let. (به English). doi:10.1103/PhysRevLett.102.118501.