นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาที่มาของรังสีคอสมิก(บางส่วน)

By: terminus
Writer
on Sun, 17/02/2013 - 04:45

รังสีคอสมิก (cosmic ray) คืออนุภาคพลังงานสูงที่วิ่งไปมาอยู่ทั่วอวกาศ ส่วนใหญ่จะเป็นโปรตอน บางครั้งก็พุ่งเข้ามาที่โลก (แต่ส่วนใหญ่รังสีคอสมิกไม่มีสิทธิ์มาทำร้ายสิ่งมีชีวิตถึงพื้นโลก เพราะเราได้รับความคุ้มครองจากชั้นบรรยากาศและสนามแม่เหล็กของโลก) นักวิทยาศาสตร์สงสัยมาเนิ่นนานนับศตวรรษแล้วว่ารังสีคอสมิกเกิดขึ้นมาได้อย่างไร (รังสีคอสมิกถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1912) อนุภาคพลังงานสูงปริมาณมหาศาลคงจะไม่ได้โผล่ออกมาเอง มันจะต้องมีที่มาที่ไปสักอย่าง แต่การหาแหล่งที่มาของโปรตอนนั้นดูจากทิศทางของรังสีคอสมิกไม่ได้ เพราะโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เวลามันวิ่งผ่านสนามแม่เหล็กในอวกาศ มันก็เปลี่ยนทิศทางตลอดเวลา ไม่ได้วิ่งเป็นเส้นตรงเหมือนแสงหรือนิวตริโนหรืออนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเราส่องกล้องโทรทรรศน์ เราก็จะเห็นรังสีคอสมิกวิ่งมาจากทุกทิศทุกทาง สะเปะสะปะมั่วไปหมด

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1949 นักฟิสิกส์นามอุโฆษ Enrico Fermi ก็ได้เสนอว่าซากหลงเหลือของการระเบิดซุปเปอร์โนวา (Supernova Remnant) สามารถประพฤติตัวเสมือนหนึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคก่อกำเนิดโปรตอนพลังงานสูงได้ เมื่อซากซุปเปอร์โนวาแผ่กระจายตัวออกเป็นรูปทรงกลมด้วยความเร็วสูง แรงของการแผ่กระจายจะไปดันอัดกลุ่มแก๊สระหว่างดวงดาวทำให้มีคลื่นกระแทก (shock wave) เกิดขึ้นตรงผิวหน้าของทรงกลม และคลื่นกระแทกนี้ก็จะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองขึ้นมา พอโปรตอนถูกกวาดหลุดเข้ามา (โปรตอนพวกนี้ก็ไม่ได้มาจากที่ไหนอื่น มันมาจากไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักของแก๊สระหว่างดวงดาวนั่นเอง) พวกโปรตอนเหล่านั้นก็จะถูกกักอยู่ในสนามแม่เหล็กและโดนผลักไปข้างหน้าทีข้างหลังที เด้งไปเด้งกลับเหมือนลูกปิงปอง พวกมันจึงสะสมความเร็วขึ้นเรื่อยๆ ตามเวลาที่มันถูกสนามแม่เหล็กของคลื่นกระแทกลากไป ในที่สุดความเร็วของโปรตอนก็จะมากพอจนเอาชนะหลุดออกมาจากสนามแม่เหล็กได้ (เร็วระดับเข้าใกล้ความเร็วแสง) นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่านี่แหละคือโปรตอนพลังงานสูงที่อยู่ในรังสีคอสมิก

ปัญหาคือ เราไม่มีหลักฐานยืนยันว่าซากซุปเปอร์โนวาสร้างโปรตอนพลังงานสูงได้จริงๆ มันพอมีทางหนึ่งที่จะเห็นร่องรอยของโปรตอนพลังงานสูงได้ กล่าวคือ เมื่อโปรตอนพลังงานสูงวิ่งไปชนกับโปรตอนธรรมดาๆ มันจะเกิดอนุภาค neutral pion ขึ้นซึ่งไม่เสถียร neutral pion จะสลายตัวทันทีเกิดเป็นรังสีแกมมา 2 อนุภาค แต่อิเล็กตรอนพลังงานสูง (ที่เกิดจากกระบวนการอื่นและไม่ได้เกี่ยวข้องกับรังสีคอสมิก) ก็ให้กำเนิดรังสีแกมมาได้ (จาก bremsstrahlung และ inverse Compton scattering) ต่อให้นักวิทยาศาสตร์ส่องกล้องขึ้นไปแล้วเห็นรังสีแกมมาวิ่งออกมาจากซากซุปเปอร์โนวา ก็บอกไม่ได้อยู่ดีว่ามันเป็นรังสีแกมมาที่เกิดจาก neutral pion หรือรังสีแกมมาจากอิเล็กตรอน

ทีมวิจัยของนักวิทยาศาสตร์กว่า 170 ชีวิตที่นำโดย Stefan Funk แห่ง Stanford University ใน Palo Alto ได้วิเคราะห์ข้อมูลภาพถ่ายของซากซุปเปอร์โนวา IC 433 และ W44 (อยู่ห่างจากโลกประมาณ 5,000 และ 10,000 ปีแสงตามลำดับ) จากกล้องโทรทรรศน์ Large Area Telescope ของ Fermi gamma ray observatory พวกเขาตั้งความหวังไว้ว่าหากมีรังสีแกมมาที่เกิดจากการสลายตัวของ neutral pion มันจะต้องมีสัญญาณบางอย่างบ่งบอก นั่นคือ รังสีแกมมาแต่ละอนุภาคจะต้องมีพลังงานขั้นต่ำอย่างน้อยประมาณ 150-200 MeV ซึ่งเท่ากับครึ่งหนึ่งของพลังงานของ neutral pion ที่ให้กำเนิดมัน พลังงานของรังสีแกมมาจากกระบวนการนี้จะต่ำกว่านี้ไม่ได้ตามกฏอนุรักษ์พลังงาน รังสีแกมมาที่เกิดจากอิเล็กตรอนจะไม่มีเส้นกำหนดพลังงานขั้นต่ำตรงนี้ มันจะมีพลังงานต่ำกว่านี้ก็ได้

ผลจากการวิเคราะห์ข้อมูลที่เก็บมาถึง 4 ปีด้วยความอุตสาหะก็ปรากฏว่ารังสีแกมมาจากซากซุปเปอร์โนวา IC 433 และ W44 มีพลังงานขั้นต่ำตรงตามที่คาดไว้จริงๆ เป็นหลักฐานยืนยันว่ามีอนุภาคโปรตอนพลังงานสูงเกิดขึ้นตรงซากซุปเปอร์โนวา

นั่นก็แปลว่าคดีกำเนิดรังสีคอสมิกได้ถูกไขกระจ่างแล้วอย่างน้อยก็บางส่วน ขั้นต่อไปก็คือหาว่าโปรตอนที่อยู่ในรังสีคอสมิกเกิดจากกระบวนการนี้ทั้งหมดหรือไม่? ถ้าไม่ มันมีกระบวนการไหนอีกในอวกาศที่จะให้อนุภาคโปรตอนพลังงานสูงได้? และอนุภาคอื่นๆ ที่อยู่ในรังสีคอสมิกมีที่มาจากไหน มาจากที่เดียวกันกับโปรตอน หรือเป็นเพื่อนร่วมทางที่บังเอิญเดินทางมาด้วยกัน?

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Science DOI: 10.1126/science.1231160

ที่มา - ScienceNOW, New Scientist, BBC News, Ars Technica

3 Comments

hisoft's picture
  • ก็จะถูกอยู่ในสนามแม่เหล็ก

งงครับ

  • แกมม

แกมมา?

The Phantom Thief

echo's picture

ตอนนี้ NASA และ ESO ( European Southern Observatory )
ออกมายืนยันแล้วว่ามาจากซุปเปอร์โนว่า