پرتوهای کیهانی: بمباران زمین با تشعشعات پرانرژی

پرتوهای کیهانی از معدود شواهد مستقیم وجود ماده در مرزهای فراتر از منظومه شمسی هستند. آن‌ها ذراتی پرانرژی هستند که با سرعت نور در فضا حرکت می‌کنند و با رسیدن به جو می‌سوزند و زمین را بمباران می‌کنند. در این مقاله قصد داریم با این پرتوها بیشتر آشنا شویم، ویژگی‌های آن‌ها را مرور کنیم و ببینیم حضور آن‌ها چه تأثیری بر زندگی ما دارد.

تاریخچه کشف پرتوهای کیهانی

مطالعات پرتوهای کیهانی درحال‌حاضر یک دوره تقریباً صدساله را در بر می‌گیرد. در پایان قرن نوزدهم، دانشمندان با استفاده از الکتروسکوپ‌های ورقه‌ای طلا که برای مطالعه رسانایی گازها مورد استفاده قرار می‌گرفت، دریافتند که صرف‌نظر از اینکه با چه دقتی الکتروسکوپ‌های خود را از منابع احتمالی تابش جدا می‌کنند، بازهم آن‌ها با سرعتی آهسته تخلیه می‌شوند. در سال ۱۹۰۱ دو گروه به مطالعه روی علت این امر مشغول شدند: «J. Elster»‌ و «H.Geitel» در آلمان و «C.T. R.Wilson» در انگلستان.

هر دو گروه به‌صورت مجزا به این نتیجه رسیدند که منبع ناشناخته‌ای از تشعشعات یونیزه‌کننده وجود دارد. ویلسون در انگلستان حتی پیشنهاد کرد که یونیزاسیون ممکن است به‌دلیل تشعشعات ناشی از منابع خارج از جو زمین باشد - احتمالاً تشعشعاتی مانند پرتوهای کاتدی اما با قدرت نفوذ بسیار بیشتر.

یک سال بعد دو گروه در کانادا،‌ «Ernst Rutherford» و «H. Lester Cooke» در دانشگاه «مک گیل» و «J. C. McLennan» و «E.F.Burton» در دانشگاه تورنتو نشان دادند که سرب می‌تواند شدت این تابش مرموز را کاهش دهد. آن‌ها با بررسی تأثیر سرب در جذب این تشعشع، دریافتند هرچند میزان جذب این تشعشعات توسط سرب بالاست، اما آن‌ها همه‌جا حضور دارند و نمی‌توان با قرار‌دادن قطعه‌ای سرب، آن‌ها را از محیط حذف کرد.

در سال ۱۹۰۷ دانشمندی به نام «Theodore Wulf» از مؤسسه فیزیک «Ignatus College»‌ در هلند الکتروسکوپ جدیدی اختراع کرد. الکتروسکوپ وولف دانشمندان را قادر ساخت تا به جستجوی منشأ تشعشعات مرموز در بیرون از آزمایشگاه بپردازند.

با فرض اینکه این تابش از زمین می‌آید، آن‌ها انتظار داشتند با قرار‌گرفتن در نواحی بلند مانند کوه‌ها میزان تابش کاهش چشمگیری داشته باشد. آن‌ها الکتروسکوپ جدید را به نواحی مرتفع بردند و برخلاف انتظار دریافتند نه‌تنها میزان تشعشعات کاهش پیدا نمی‌کند، بلکه هرچه ارتفاع از سطح زمین افزایش می‌یابد، میزان تشعشعات نیز افزایش پیدا می‌کند.

«ویکتور هس»، فیزیکدان هسته‌ای اتریشی که از نتایج متناقض به‌دست‌آمده توسط وولف و همکارانش متعجب شده بود، از آکادمی علوم امپراتوری اتریش و هوانوردی سلطنتی این کشور خواست تا مجموعه‌ای از بالون‌های خود را برای مطالعه این تابش به هوا بفرستند.

هس برای کاهش تعداد خدمه‌های بالون و درنتیجه سبک‌شدن بالون برای بالاتر رفتن آن، آموزش خلبانی بالون دید و درنهایت در تاریخ ۱۲ آگوست ۱۹۱۲ با استفاده از یک بالون تا ارتفاع ۵۳۵۰ متری بالا رفت.

او در این آزمایش دریافت که میزان تابش‌های مرموز در ابتدا کاهش می‌یابد، اما با افزایش ارتفاع از ۱۵۰۰ متر، شدت تشعشعات افزایش پیدا می‌کند و در ارتفاع حدود ۵۰۰۰ متر به دو‌برابر مقدار آن در سطح زمین می‌رسد.

هس نتیجه گرفت که این مشاهدات را می‌توان این‌گونه توضیح داد: تابش با قدرت نفوذ زیاد، از آسمان وارد جو زمین می‌شود و تا حدی در لایه‌های پایینی جو سبب یوانیزاسیون می‌گردد. او پس از بازگشت از این سفر آزمایشی، سفر دیگری از آمستردام به شهر جاوه در اندونزی آغاز کرد. او دریافت شدت پرتوهای کیهانی با عرض جغرافیایی تغییر می‌کند و در نزدیکی استوا شدت کاهش می‌یابد. پس نتیجه گرفت این تشعشعات پیش از ورود به میدان مغناطیسی زمین، ذراتی باردار بوده‌اند.

در سال ۱۹۳۰، «برونو روسی» نشان داد که اگر پرتوهای کیهانی باردار باشند، باید یک اثر شرق-غرب وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، با توجه به میدان مغناطیسی زمین، تعداد پرتوهایی که از غرب به‌سمت شرق می‌روند، بیشتر است.

در سال ۱۹۳۳ دو گروه آمریکایی، «Luis Alvarez»‌ و «Arthur H. Compton» از دانشگاه شیکاگو و «Thomas H. Johnson» از بنیاد تحقیقات «بارتول» به‌طور هم‌زمان و البته مستقل، اثر غرب-شرق را اندازه‌گیری کردند. این مطالعه نشان داد که پرتوهای کیهانی دارای بار مثبت هستند. بدین ترتیب ماهیت عمده پرتوهای کیهانی نیز کشف شد.

دانشمند دیگری با نام «M. Schein»‌ که او نیز در این زمینه مطالعه می‌کرد، بالون‌های دیگری شامل شمارنده گایگر که در ساخت آن از سرب استفاده شده بود، به آسمان فرستاد تا ثابت کند ذرات پرتوهای کیهانی بیشتر از پروتون‌ها تشکیل شده‌اند.

در سال ۱۹۴۸ گروه‌های تحقیقاتی از دانشگاه «مینه سوتا» و «روچستر» موفق به ساخت محفظه‌های ابری روی بالونی به نام «Skyhook»‌ شدند و وجود هسته‌های سنگین را در تشعشعات اولیه کیهانی کشف کردند.

مطالعات بیشتر توسط گروه‌های دیگر نشان داد تمام عناصر میان هیدروژن و آهن در جدول تناوبی، در تابش کیهانی محیط اطراف بالای جو وجود دارند - فراوانی عناصر سبک مانند لیتیوم و بریلیوم به نسبت سایر عناصر بیشتر است.

سپس در سال ۱۹۵۰ مشخص شد بخش قابل‌توجهی از انتشار رادیویی در کیهان، تابش سنکروترون است؛ تابشی که نشان‌دهنده حضور الکترون‌های فرانسبیتی در سراسر کهکشان ماست. با‌این‌حال، به‌دلیل فراوانی اندک آن‌ها، تا سال ۱۹۶۲ وجود الکترون‌ها به‌عنوان بخشی از تابش اولیه کیهان کشف نشد (فراوانی آن‌ها تنها یک درصد کل پرتوهای کیهانی کشف شده بود). حالا دانشمندان پرتوهای کیهانی را به‌خوبی می‌‌شناسند و می‌توانند درباره منشأ آن‌ها مطالعات عمیق‌تری انجام دهند.

ماهیت پرتوهای کیهانی

پرتوهای کیهانی از الکترون‌‌ها، نوترون‌ها و هسته‌های اتمی تشکیل شده‌اند که با سرعت بسیار بالایی شتاب گرفته‌اند. به عبارت دقیق‌تر، می‌توان گفت ذرات پرتوهای کیهانی عمدتاً از هیدروژن (۸۷ درصد)، مقداری هلیوم (۱۲ درصد) و مقادیر ناچیز کربن، اکسیژن و عناصر سنگین‌تر تشکیل شده‌اند. این ذرات همگی یونیزه‌شده هستند. الکترون‌ها نیز حدود یک درصد از پرتوهای کیهانی را در بر‌ می‌گیرند.

مطالعه ترکیب شیمیایی پرتوهای کیهانی اطلاعاتی را در مورد ساختار شیمیایی و ماهیت مبدأ انتشار آن‌ها - فضای بین‌ستاره‌ای - در اختیار ما قرار می‌دهد.

ایزوتوپ‌ پرتوهای کیهانی نیز مملو از اطلاعات ارزشمند هستند. به عنوان مثال، آلومینیوم ۲۶، بریلیوم ۱۰ و کلسیم ۳۶ تاریخچه تغییرات دیسک و هاله کیهانی در طول زمان را نشان می‌دهند. از سوی دیگر، مطالعه بار و جرم این پرتوها با توجه به طیف انرژی‌شان، می‌تواند فرایند شتاب‌گرفتن و انتقال ذرات در کیهان را برای ما روشن سازد. به عنوان مثال، دانشمندان از این طریق دریافته‌اند در انرژی‌های کمتر از ۴۰ مگاالکترون‌ولت پرتوهای کیهانی با رفتاری غیرعادی دیده می‌شود. آن‌ها دریافتند اتم‌ها در محیط بین‌ستاره‌ای یونیزه می‌شوند و تحت بادهای خورشیدی شتاب می‌گیرند.

وقتی میزان انرژی این ذرات با دقت بالایی اندازه‌گیری می‌شود، می‌توان دریافت آیا پرتوهای کیهانی منشأ کهکشانی دارند یا از فضای بیرون از کهکشان می‌آیند.

بااین‌حال، با توجه به محدودیت سیستم‌های آشکارساز، اندازه‌گیری شدت پرتوهای کیهانی در انرژی‌های بیشتر از ده به توان ۲۰ الکترون‌ولت امکان‌پذیر نیست. پرتوهایی با انرژی حدودی بیشتر از ده به توان دوازده الکترون ولت نیز به‌خوبی مطالعه نشده‌اند. این بازه انرژی مرتبط با شوک‌های انفجار ابرنواختری است که انرژی بسیار بالایی تولید می‌کنند.

این پرتوها از کجا می‌آیند؟

ذرات پرتوهای کیهانی به‌طور یکنواخت از تمام جهات آسمان به زمین می‌رسند، اما این لزوماً به این معنا نیست که منابع آن‌ها به‌طور یکنواخت در اطراف زمین توزیع شده است. احتمال داده می‌شود این پرتوها دائما توسط میدان‌های مغناطیسی در کهکشان‌ها منحرف و پراکنده می‌شوند تا به زمین برسند.

اما پرتوهای کیهانی کهکشانی از خارج از منظومه شمسی عمدتاً از راه شیری می‌آیند. آن‌ها احتمالاً در چند میلیون سال گذشته شتاب گرفته‌اند و بارها در سراسر کهکشان سفر کرده‌اند تا بالاخره توسط میدان مغناطیسی کهکشان به دام افتاده‌اند. این ذرات تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند. دانشمندان باور دارند انفجارهای ابرنواختری که در آن لایه‌های بیرونی ستاره به فضا پرتاب شده و یک جبهه شوک بزرگ منبسط‌شونده ایجاد می‌شود، علت شتاب‌گرفتن پرتوهای کیهانی و افزایش سرعت تا حدود سرعت نور هستند.

پرتوهای کیهانی خورشیدی

بیشتر مواقع پرتوهای کیهانی که به زمین می‌رسند، منشأ کهکشانی یا خارج از کهکشانی دارند؛ بااین‌حال، هرازگاهی خورشید نیز منبع پرتوهای کیهانی است. دانشمندان تاکنون با مشاهده مستقیم ذرات پرانرژی در فضای بین‌سیاره‌ای یا زمین و با کشف تابش‌های خنثی تولید‌شده در اثر اندرکنش ذرات شتابدار با اتمسفر خورشیدی و میدان مغناطیسی خورشید، موفق شده‌اند شواهدی از حضور پروتون‌ها، یون‌ها و الکترون‌های پرانرژی در پرتاب جرمی تاج خورشیدی به‌دست آورند.

تاکنون شواهدی مبنی بر شتاب‌گرفتن پروتون‌ها، یون‌ها و الکترون‌های پرانرژی در ارتباط نزدیک با تابش‌های خورشیدی و پرتاب‌های جرمی تاج خورشیدی به‌دست آمده‌اند که این ادعا را تأیید می‌کنند.

پروتون‌های خورشیدی، یون‌ها و الکترون‌های آن تا مرز انرژی حدود ۱۰۰ مگا الکترون‌ولت پیشروی می‌کنند که مستقیماً توسط ابزارهای فضایی اندازه‌گیری می‌شوند. پروتون‌های خورشیدی با انرژی‌های بیشتر از ۵۰۰ مگاالکترون‌ولت بسیار نادر هستند و برای ردیابی آن‌ها باید از آشکارسازهای پرتوهای کیهانی مستقر در زمین استفاده کرد.

آیا این پرتوها تأثیری بر آب‌و‌هوای زمین دارند؟

تغییرات در آب‌وهوای زمین به‌طور کلی به دلایل داخلی نسبت داده می‌شود. به عنوان مثال، گرد‌وغبار آتشفشان‌ها، نوسانات جوی اقیانوس‌ها و یا پارامترهای خارجی مانند تغییر در پارامترهای مداری زمین و میزان درخشندگی خورشید.

اما اخیراً پیشنهاد شده است پوشش ابر زمین با شدت پرتوهای کیهانی کهکشانی در ارتباط است. ایده این است که تشکیل قطرات تحت تأثیر میزان یونیزه‌شدن مولکول‌های جو توسط پرتوهای کیهانی است. یونیزه‌شدن می‌تواند تأثیر چشمگیری بر شفافیت نوری جو بگذارد یا روی گذار بین فازهای مختلف آب‌وهوا اثر داشته باشد.

این ایده هنوز در حد یک نظریه اولیه است و بااین‌حال، دانشمندان زیادی هستند که روی آن مطالعه می‌کنند.

پرتوهای کیهانی و زندگی ما

از آنجا که شدت پرتوهای کیهانی با افزایش ارتفاع، افزایش می‌یابد، می‌توان انتظار داشت افرادی که در سطح دریا زندگی می‌کنند، کمتر در معرض تابش پرتوهای کیهانی نسبت به افرادی که ارتفاعات ساکن‌اند، قرار می‌گیرند.

برای مثال، در «دنور کلرادو» در ارتفاع ۱۶۰۰ متری، میزان قرارگرفتن ساکنین در معرض تشعشعات کیهانی دو‌برابر افرادی است که در نزدیکی سطح دریا زندگی می‌کنند. سوابق پزشکی این افراد در طول سال‌ها جمع‌آوری شده است تا پزشکان بتوانند سطح سلامتی این دو گروه را با هم مقایسه کنند.

در یک مطالعه دانشمندان با پارادوکس جالبی روبه‌رو شدند: افرادی که در ارتفاعات کوهستانی زندگی می‌کنند، عموماً سالم‌تر و شاداب‌تر هستند و طول عمر بیشتری نسبت به افراد ساکن در ارتفاعات سطح دریا دارند. به‌نظر می‌رسد قرارگرفتن در معرض پرتوهای کیهانی تا حدود ارتفاعات مذکور سلامتی انسان را به خطر نمی‌اندازد.

بااین‌حال، این تنها یک مطالعه اولیه است که ممکن است نتواند میزان تأثیر پرتوهای کیهانی بر بدن را به‌خوبی نشان دهد. از آنجا که تأثیر پرتوهای کیهانی در راستای عرض جغرافیایی نیز تغییر می‌کند، کشورهایی از گذشته درحال وضع قوانینی هستند که طی آن ساخت‌وساز و زندگی افراد در مناطق با تابش شدید پرتوهای کیهانی ممنوع شود.

یکی دیگر از مسا‌یٔلی که از وجود پرتوهای کیهانی تأثیر می‌پذیرد، تعداد و طول پروازهای خطوط هوایی است که یک انسان‌ها در طول زندگی تجربه می‌کند. وقتی در هواپیما هستیم، از سطح زمین ارتفاع گرفته‌ایم و بیشتر از حالتی که روی زمین هستیم، در معرض تشعشعات کیهانی قرار داریم.

میزان پرتوهای کیهانی که در طول پرواز به بدن ما می‌رسد، به عوامل مختلفی بستگی دارد. از این میان می‌توان به ارتفاع و مدت‌زمان پرواز اشاره کرد. اگر یک پرواز یک‌طرفه از نیویورک به لس‌آنجلس داشته باشیم، احتمالاً حدود دو تا پنج میلی‌رم تشعشع دریافت می‌کنیم.

اما جای نگرانی نیست؛ بیشتر مردم برای حمل‌ونقل آن‌قدر از هواپیما استفاده نمی‌کنند که بتوان ادعا کرد مقدار زیادی تشعشع کیهانی سالانه وارد بدن آن‌ها می‌شود. اما این رقم برای خلبانان و کادر پرواز خطوط هوایی قطعاً رقم چشمگیری است.

حضور پرتوهای کیهانی برای فضانوردان و علوم فضایی نیز مسئله مهم و غیرقابل‌انکاری است. در هنگام برنامه‌ریزی آژانس‌های فضایی برای مأموریت‌های مختلف، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها ساخت لوازم و تجهیزاتی است که فضانوردان را در برابر تابش شدید پرتوهای کیهانی حفظ کند.

سؤالات متداول