รังสีคอสมิกพลังงานสูง – ปริศนาที่กำลังคลี่คลาย

ทีมนักดาราศาสตร์จากหลายประเทศได้ใช้สถานีสังเกตการณ์ปิแอร์ ออแจร์ (Pierre Auger Observatory) ในการรวบรวมหลักฐานว่ารังสีคอสมิกพลังงานสูงที่เข้ามากระทบโลกนั้นมาจากหลุมดำที่อยู่ในใจกลางของกาแล็กซี่ที่อยู่ใกล้ จากการใช้ตัวตรวจจับจำนวนมากที่กระจายตัวในพื้นที่ 3,000 ตารางกิโลเมตรในอาร์เจนตินา ทีมวิจัยได้ทำการระบุรังสีคอสมิกซึ่งมีพลังงานมากกว่า 10¹⁹ อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ที่สังเกตการณ์ได้จำนวน 27 ครั้งว่ามาจากใจกลางกาแล็กซี่เหล่านี้ เมื่อทราบว่ารังสีคอสมิกพลังงานสูงเหล่านี้มาจากแหล่งใดนั้น ทีมวิจัยหวังว่าจะช่วยให้เข้าใจถึงวิธีการที่อนุภาคเหล่านี้ถูกเร่งจนมีพลังงานที่สูงมากได้

การตรวจพบรังสีคอสมิกพลังงานสูง (ultrahigh-energy cosmic ray : UHECR) ครั้งแรกนั้นเกิดในช่วงต้นทศวรรษ 1960 โดยรังสีดังกล่าวเป็นอนุภาคมีประจุที่มีพลังงานสูงที่สุดในเอกภพและยังพบเจอได้ยาก ทาง Pierre Auger Observatory ได้พบอนุภาคที่มีพลังงานมากกว่า eV เป็นจำนวนทั้งสิ้น 27 ครั้งนับตั้งแต่เริ่มเก็บข้อมูลในปี ค.ศ. 2004

UHECR นี้ซึ่งมีพลังงานสูงมากน่าจะเกิดขึ้นในเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่รุนแรง หนึ่งในความเป็นไปได้ที่สุดก็คือใจกลางกาแล็กซี่ที่มีพฤติกรรมที่รุนแรงที่รู้จักกันในชื่อ Active Galactic Nuclei (AGN) ซึ่งเชื่อว่าน่าจะมีหลุมดำอยู่ที่จุดศูนย์กลาง โดยหลุมดำนั้นดึงสสารปริมาณมหาศาลเข้าไปและทำให้เกิดพลาสมาอุณหภูมิสูงก่อนที่จะหายเข้าไปในหลุมดำ โดยเชื่อว่าความไม่เสถียรของสนามแม่เหล็กในพลาสมานี้ทำให้เกิดคลื่นกระแทกแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic shock wave) ที่สามารถเคลื่อนที่ได้ไกลจากหลุมดำซึ่งมันสามารถเร่งโปรตรอนหรือนิวเคลียสที่หนักกว่าให้มีพลังงานสูงได้ อย่างไรก็ตามกระบวนการที่ถูกต้องของการเร่งนั้นยังไม่มีความชัดเจน

นอกจากนี้ คลื่นกระแทกดังกล่าวยังอาจจะเกิดจากความปั่นป่วนในที่ว่างระหว่างกาแล็กซี่ หลุมดำบางชนิดหรือซูเปอร์โนวา อย่างไรก็ตาม UHECR นั้นเสียพลังงานได้ง่ายมากเพราะมันจะกระเจิงกับรังสีพื้นหลังไมโครเวฟ (cosmic microwave background) ซึ่งทำให้มันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ไกลในอวกาศมาก เป็นผลให้รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงเกินค่าหนึ่งมีจำนวนลดลง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์นี้รู้จักกันในชื่อ Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) effect สิ่งที่เป็นไปได้ก็น่าจะเป็น UHECR มาจากแหล่งกำเนิดที่ใกล้โลกเช่น AGN โดยทาง Venya Berezinsky จาก Gran Sasso National Laboratory ในอิตาลีกล่าวว่า UHECR ที่มีพลังงานมากกว่า eV ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ไกลกว่า 100 Mpc หรือประมาณ 300 ล้านปีแสง

ปัจจุบันทีมวิจัยได้ใช้สถานีสังเกตการณ์ Pierre Auger ในประเทศอาร์เจนตินาในการหาหลักฐานว่า UHECR นั้นมาจาก AGN ใกล้เคียง Auger Observatory ตรวจจับรังสีคอสมิกโดยการสังเกตอนุภาคที่กระจายออกเป็นฝอย หรือ “shower” ซึ่งถูกผลิตขึ้นขณะที่รังสีคอสมิกกระทบกับโมเลกุลของบรรยากาศโลก

สถานีสังเกตการณ์แห่งนี้ประกอบด้วยถังใส่นํ้าบริสุทธิ์ที่จัดตัวเป็นแถว ๆ จำนวน 1,600 ถัง โดยมีระยะห่างกันระหว่างแต่ละถัง 1.5 กิโลเมตร ใช้ในการตรวจจับรังสีเชอเรนคอฟ (Cerenkov radiation) ซึ่งผลิตขึ้นเมื่ออนุภาค shower วิ่งผ่านเข้าในถังน้ำ นอกจากนี้ยังมีเครื่องตรวจวัดจำนวน 4 ตัวรอบบริเวณพื้นที่ 3,000 ตารางกิโลเมตรนั้น เพื่อตรวจวัดรังสีฟลูออเรสเซนส์จากบนท้องฟ้าซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออนุภาค shower เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศในตอนกลางคืน

หลังจากการเก็บข้อมูลเป็นเวลาสามปีครึ่ง สถานีสังเกตการณ์ได้พบรังสีคอสมิกที่มีพลังงานมากกว่า eV จำนวน 27 ครั้ง โดย 20 ครั้งจากทั้งหมดนี้สามารถระบุตามรอยการเดินทางของมันกลับไปได้ว่ามาจากบริเวณภายใน 3.1 องศาบนท้องฟ้ารอบ AGN ต่าง ๆ กัน ซึ่งแต่ละ AGN อยู่ที่ระยะประมาณ 75 Mpc จากโลก ตามคำกล่าวของทีมวิจัย มีความแนวโน้มความไม่น่าจะเป็นที่สูงมาก (หรืออาจกล่าวให้เข้าใจง่ายขึ้นว่าแทบจะเป็นไปได้น้อยมาก) ที่รังสีคอสมิกพลังงานสูง 20 ในจำนวน 27 ครั้งนี้จะมาจากทิศทางสุ่ม แล้วรังสีคอสมิก 20 ครั้งที่ตรวจจับได้นี้จะปรากฏเหมือนมาจาก AGN ทั้งหมดที่เรารู้จัก นั่นคือมันเป็นไปได้น้อยมากที่จะเป็นความบังเอิญ ซึ่งสนับสนุนว่ารังสีคอสมิกพลังงานสูงเหล่านี้มาจาก AGN จริง ๆ

Alan Watson โฆษกของ Auger จากมหาวิทยาลัย Leeds กล่าวว่าทีมวิจัยได้ตรวจสอบเหตุการณ์การตรวจวัดรังสีคอสมิกจำนวน 5 คู่ (นั่นคือ 10 ใน 27) พบว่าแต่ละคู่มาจาก AGN เดียวกัน เขาหวังว่าการพบ UHECR ที่มาจากแหล่งกำเนิดเดียวกันจำนวนหนึ่งจะสามารถนำไปวิเคราะห์หาสเปกตรัมของพลังงาน (การแจกแจงของพลังงานของรังสีคอสมิกซึ่งบ่งบอกว่าจำนวนของรังสีคอสมิกที่พลังงานต่าง ๆ มากน้อยเพียงใด) ได้ ซึ่งจะช่วยให้อธิบายการกำเนิดของรังสีคอสมิกได้อย่างแม่นยำ

ปัญหาใหญ่คือการสร้างสเปกตรัมนั้นจำเป็นต้องพบรังสีคอสมิกเป็นจำนวนมากจาก AGN เดียวกันซึ่งหมายความว่าต้องใช้เวลาหลายร้อยปีในการรวบรวมข้อมูลจาก Auger Observatory นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์มีแผนจะสร้างสถานีสังเกตการณ์อีกแห่งชื่อว่า Auger North ในมลรัฐโคโลราโด สหรัฐอเมริกา โดย Auger North จะมีขนาดใหญ่กว่า Pierre Auger ประมาณ 3.5 เท่า

Watson กล่าวว่าการค้นพบล่าสุดที่ทำให้รู้แหล่งกำเนิดของ UHECR อย่างแม่นยำนั้น จะช่วยให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์มีความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กของกาแล็กซี่ของเรา เนื่องจากอนุภาคที่มีประจุเหล่านี้ถูกเปลี่ยนเส้นทางเล็กน้อยโดยสนามแม่เหล็กซึ่งสามารถนำไปศึกษาเป็นฟังก์ชันของพลังงานของอนุภาคกับตำแหน่งได้ นอกจากนี้ การศึกษาการชนกันระหว่าง UHECR และนิวเคลียสของอนุภาคในบรรยากาศ ถือเป็นการศึกษาที่พลังงานสูงกว่าเครื่องเร่งที่ล้ำสมัยที่สุดในปัจจุบันหรือในอนาคตจะผลิตได้ ตัวอย่างเช่น Large Hadron Collider ที่ CERN สามารถเร่งโปรตรอนให้มีพลังงานได้แค่ 7 TeV ( eV)

ที่มา http://physicsworld.com/cws/article/news/31764