رهیافت ذرات کیهانی: چطور می‌توان داخل یک آتشفشان را دید؟

بار بعدی که آسمان آفتابی است، از خانه بیرون بروید. با این که ابری در آسمان نیست، اما شما زیر یک طوفان طیفی خواهید بود.

اشعه‌های کیهانی، که از تمام چیزهای پرانرژی ساطع می‌شوند، دائما اتمسفر زمین را بمباران می‌کنند. برخورد این اشعه‌ها با گازها ذرات کوچکی به نام پیون (pion) تولید می‌کند که به سرعت به میون (muon) تجزیه می‌شوند؛ حباب‌هایی زیراتمی که ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از الکترون‌ها هستند. در هر ثانیه، تریلیون‌ها میون با سرعتی در حدود سرعت نور به سمت زمین شلیک می‌شوند.

وقتی میون‌ها با یک شیء برخورد می‌کنند، برخی از درون آن رد می‌شوند، در حالی که باقی میون‌ها در آن به دام می‌افتند. این به این معنی است که می‌توان با استفاده از میون‌ها چیزهایی را دید که غیرقابل دسترس هستند؛ از رآکتورهای هسته‌ای گرفته تا درون اهرام مصر.

دانشمندان مدت‌هاست عقیده دارند که این تکنیک که میوگرافی (muography) نام دارد، می‌تواند برای دیدن آتشفشان‌ها استفاده شود؛ آناتومی آتشفشان‌ها تعیین می‌کند که چه زمانی و چگونه منفجر خواهند شد. پژوهشگران در مقاله‌ای که به تازگی در ژورنال Proceedings of the Royal Society A منتشر شده، نشان داده‌اند که میون‌ها با موفقیت برای نقشه‌برداری برخی شریان‌ها و ویژگی‌های درونی آتشفشان‌ها در سرتاسر دنیا به کار رفته‌اند؛ از جمله تعدادی از خطرناک‌ترین کوه‌های ماگمایی.

به گفته «جووانی لئونه» (Giovanni Leone)، ژئوفیزیکدان دانشگاه آتاکاما در شیلی و نویسنده اصلی مقاله، روزی فرا خواهد رسید که میوگرافی آتشفشانی بتواند به «سیستم تشخیص نهایی ماگما» تبدیل شود. او و همکارانش می‌گویند که اگر بتوانیم از میون‌ها برای ردیابی سنگ‌های مذاب در زمان واقعی استفاده کنیم، خواهیم توانست زمان وقوع انفجار را پیش‌بینی کنیم.

وقتی میون‌ها با سرعت از بین مواد عبور می‌کنند، تکانه آن‌ها کم می‌شود. هر چقدر که ماده چگال‌تر باشد، احتمال این که میون‌ها تمام انرژی خود را از دست بدهند، درون ماده گیر بیفتند و به نوترینو و الکترون تبدیل شوند، بیشتر می‌شود.

اشیاء به ندرت چگالی یکنواخت دارند. این مساله در مورد آتشفشان‌ها نیز صادق است؛ آن‌ها از مسیرهای پر از ماگما یا خالی، انواع گوناگونی از سنگ‌ها و ترک‌ها، شکاف‌ها و دهانه‌های بی‌شمار تشکیل شده‌اند. برای فهم این ویژگی‌ها، آتشفشان‌شناس‌ها می‌توانند از شناساگرهای میون استفاده کنند که اندازه‌شان از یک چمدان تا یک آپارتمان کوچک متغیر است. دانشمندان می‌توانند شناساگرها را در کناره‌های یک آتشفشان قرار دهند، یا حتی آن‌ها را با استفاده از هلیکوپتر در اطراف آتشفشان به پرواز درآورند.

طوفان بی‌پایان میون‌ها به طور مایل بر آتشفشان می‌بارد. برخی از میون‌ها که از یک سمت آتشفشان وارد می‌شوند، به شناساگرهایی که در سمت مقابل قرار دارند می‌رسند؛ آن‌هایی که در دل کوه گیر می‌افتند، یک سایه زیراتمی در شناساگرها ایجاد می‌کنند. به این ترتیب مشخص می شود که کدام بخش‌های داخل کوه چگال‌تر و کدام بخش‌ها تهی‌تر هستند.

«دیوید مان» (David Mahon)، پژوهشگر میوگرافی در دانشگاه گلاسگو که نقشی در پژوهش مذکور نداشته، می‌گوید که می‌توان مشابه اسکن‌های اشعه ایکس پزشکی، تصویری دو بعدی از درون آتشفشان‌ها برداشت: «با استفاده از چندین شناساگرها در اطراف شیء امکان ساخت یک تصویر سه بعدی با وضوح کم وجود دارد.»

بعد از استفاده از میوگرافی برای دیدن درون یک کوه بی‌خطر در ژاپن در سال ۱۹۹۵، این تکنیک سرانجام برای آتشفشان‌های فعال نیز به کار گرفته شد. یکی از اولین تلاش‌های موفق کوه آساما در ژاپن بود؛ جایی که دانشمندان یک پشته لاوا را بر فراز یک گذرگاه که شکلی مانند پنیر سوییسی داشت، کشف کردند. از آن زمان به بعد از این تکنیک برای دیدن آتشفشان‌های دیگری نیز استفاده شده است؛ از جمله آتشفشان‌های اِتنا و استرومبولی در ایتالیا، آتشفشان بسیار فعال ساکوراجیما در ژاپن و آتشفشان لا سوفیر دو گوادلوپ (La Soufrière de Guadeloupe) در کارائیب.

میون‌ها ضعف‌هایی را پیدا کرده‌اند که می‌توانند فروپاشی‌ها، رانش‌ها و مسیرهای فرار لاوا در آینده را نشان دهند. آن‌ها همچنین محفظه‌های ماگمای جدید و آماده انفجاری را پیدا کرده‌اند که توسط ابزارهای دیگر نادیده گرفته شده بودند.

میوگرافی آتشفشانی بدون نقص نیست. شناساگرها می‌توانند تنها بخش‌هایی از آتشفشان‌ها را ببینند که میون‌ها از آن‌ها رد می‌شوند. «مارینا روساس کارباخال» (Marina Rosas-Carbajal)، ژئوفیزیکدان آتشفشان در انستیتوی فیزیک زمین در پاریس که نقشی در پژوهش مذکور نداشته، می‌گوید: «شما تنها می‌توانید از پایین کوه به سمت آسمان را ببینید.» میون‌ها نمی‌توانند به بخش‌های عمیق‌تر آتشفشان‌ها نفوذ کنند و این نواحی اکثرا خارج از محدوده میوگراف‌ها قرار می‌گیرند.

قرار دادن شناساگرها در اطراف آتشفشان‌های بیشتر و قرار دادن سنگ‌ها در معرض میون‌ها در آزمایشگاه، دقت این تکنیک را بیشتر و راه گسترش استفاده از آن را باز می‌کند. اما حتی اگر این روش به روشی متداول نیز تبدیل شود، تمام سوالات ما درباره آتشفشان‌ها را حل نخواهد کرد.

دکتر روساس کارباخال می‌گوید: «آتشفشان‌ها فوق پیچیده هستند.» هزارتوهای درون آن‌ها و شیمی پدیده‌ای که دارند به این معنی است که گهگاهی می‌توانند حتی دقیق‌ترین شناساگرها را نیز فریب دهند. انفجارهای پیش‌بینی نشده برای همیشه با ما خواهند بود، صرف نظر از این که دانشمندان با چه مهارتی جادوی میون‌ها را به کار بگیرند.

احتمال این که میوگرافی دیگر ابزارهای مطالعه آتشفشان‌ها را کنار بزند، بسیار اندک است؛ ابزارهایی نظیر موج‌های لرزه‌ای و مشاهدات ماهواره‌ای. «ویتالی کودریاوتسف» (Vitaly Kudryavtsev)، فیزیکدان ذره‌ای در دانشگاه شفیلد که نقشی در پژوهش مذکور نداشت، می‌گوید: «این روش جایگزین تکنیک‌های فعلی نخواهد شد. اما می‌تواند آن‌ها را تکمیل کند.»