پرتو کیهانی: ذرات پرانرژی از فضا به سمت زمین

پرتوهای کیهانی: مهمانان ناشناس از اعماق فضا

پرتو کیهانی چیست و از کجا می‌آید؟

تصور کنید بارانی از ذرات بسیار ریز، کوچک‌تر از اتم، با سرعتی نزدیک به سرعت نور، دائماً در حال باریدن بر سراسر سیارهٔ زمین هستند. این همان پرتو کیهانی است. این ذرات اساساً پروتون^۴ و هستهٔ اتم^۵ هستند که انرژی بسیار بالایی دارند. منشأ اصلی این ذرات پرانرژی، خارج از منظومهٔ شمسی ماست. برای درک بهتر، فکر کنید یک توپ بیلیارد با سرعت بسیار زیاد به توپ‌های دیگر برخورد می‌کند و آن‌ها را به اطراف پرتاب می‌کند. در فضا، انفجار ستاره‌های غول‌پیکر به نام اَبَرنَوَاخترها، نقش همان ضربهٔ اول را بازی می‌کنند و ذرات را با انرژی فوق‌العاده‌ای به فضا پرتاب می‌کنند.

انرژی این ذرات آنقدر زیاد است که دانشمندان آن را با واحد الکترون‌وُلت^۶ اندازه‌گیری می‌کنند. یک پرتو کیهانی معمولی می‌تواند انرژی‌ای معادل 1,000,000,000,000 الکترون‌ولت داشته باشد! برای مقایسه، انرژی یک پرتو نور معمولی که از لامپ می‌آید، تنها حدود 2 الکترون‌ولت است.

سفر پرتوهای کیهانی و برخورد با زمین

سفر این ذرات از فضاهای دور تا زمین، میلیون‌ها سال به طول می‌انجامد. وقتی به نزدیکی زمین می‌رسند، با اولین مانع بزرگ روبرو می‌شوند: میدان مغناطیسی زمین. این میدان مانند یک سپر نامرئی عمل می‌کند و بسیاری از ذرات پرتو کیهانی را به سمت قطب‌های مغناطیسی زمین هدایت می‌کند. به همین دلیل است که پدیدهٔ زیبای شَفَق قُطبی^۷ بیشتر در مناطق نزدیک به قطب دیده می‌شود؛ زیرا ذرات در آن مناطق با اتم‌های جو برخورد کرده و نورهای رنگی تولید می‌کنند.

ذراتی که از این سپر مغناطیسی عبور می‌کنند، سپس با لایه‌های بالایی جو زمین برخورد می‌کنند. این برخوردها بسیار شدید هستند و باعث می‌شوند ذرات اصلی پرتو کیهانی به ذرات ثانویهٔ بیشتری شکسته شوند. این فرآیند مانند این است که یک گِلوله به یک کاسهٔ پر از گُلوله‌های دیگر برخورد کند و یک رگبار هوایی^۸ از ذرات ریز ایجاد کند. این رگبار هوایی تا سطح زمین ادامه می‌یابد و ما دائماً در معرض آن هستیم، بدون اینکه متوجه شویم.

چگونه پرتوهای کیهانی را کشف و اندازه‌گیری می‌کنیم؟

از آنجا که این ذرات با چشم دیده نمی‌شوند، دانشمندان از ابزارهای خاصی به نام آشکارساز^۹ استفاده می‌کنند. یک آشکارساز ساده می‌تواند یک اتاقک ابر^۱۰ باشد. در این اتاقک، بخار آب فوق‌اشباع وجود دارد. وقتی یک ذرهٔ پرتو کیهانی از آن عبور می‌کند، مانند یک هواپیما که رد بخار در آسمان ایجاد می‌کند، یک ردّ بخار کوچک از خود به جا می‌گذارد. دانشمندان با دیدن این ردّها می‌توانند مسیر و نوع ذره را تشخیص دهند.

آشکارسازهای پیشرفته‌تر و بزرگ‌تری نیز وجود دارند. برخی از آن‌ها در کوه‌ها و برخی دیگر در زیر زمین نصب شده‌اند تا بتوانند ذرات با انرژی بسیار بالا را که تعداد کمتری دارند، ثبت کنند. بزرگ‌ترین آشکارساز پرتوهای کیهانی در جهان، رصدخانهٔ Pierre Auger در آرژانتین است که مساحتی به وسعت 3,000 کیلومتر مربع را پوشش می‌دهد!

پرتوهای کیهانی و زندگی ما: از تکنولوژی تا سلامت

شاید فکر کنید این ذرات نامرئی هیچ تأثیری بر زندگی شما ندارند، اما اینطور نیست. یکی از تأثیرات مهم آن‌ها بر روی تجهیزات الکترونیکی پیشرفته است. ذرات پرانرژی می‌توانند به تراشه‌های حافظه در رایانه‌ها، تلفن‌های همراه و حتی سیستم‌های هواپیما برخورد کنند و باعث ایجاد خطاهای لحظه‌ای به نام چرخش بیت^۱۱ شوند. این خطا ممکن است باعث از کار افتادن موقت یک دستگاه یا محاسبهٔ اشتباه شود. مهندسان برای طراحی این قطعات، باید اثرات پرتوهای کیهانی را نیز در نظر بگیرند.

تأثیر دیگر این پرتوها بر سلامت انسان‌ها، به ویژه مسافران و خدمهٔ پروازهای طولانی‌مدت و فضانوردان است. در ارتفاعات بالا، لایهٔ محافظ جو نازک‌تر است و در نتیجه میزان پرتوگیری بیشتر می‌شود. خلبانان و مهمانداران پروازهای بین‌المللی در معرض مقدار بیشتری از این پرتوها نسبت به افراد عادی روی زمین هستند. دانشمندان با استفاده از فرمول‌هایی میزان این پرتوگیری را محاسبه می‌کنند. یک فرمول ساده شده برای محاسبهٔ دوز پرتوگیری به این صورت است:

با این حال، نگران نباشید! مقدار پرتوگیری برای اکثر مردم روی سطح زمین بسیار ناچیز و کاملاً بی‌خطر است. بدن انسان مکانیسم‌های ترمیم طبیعی برای مقابله با اینگونه آسیب‌های کوچک دارد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ پرتو کیهانی (Cosmic Ray)
^۲ شَبکیه‌ی کیهانی (Cosmic Web)
^۳ انفجارهای اَبَرنَوَاختری (Supernova Explosions)
^۴ پروتون (Proton)
^۵ هستهٔ اتم (Atomic Nucleus)
^۶ الکترون‌وُلت (Electronvolt)
^۷ شَفَق قُطبی (Aurora)
^۸ رگبار هوایی (Air Shower)
^۹ آشکارساز (Detector)
^۱۰ اتاقک ابر (Cloud Chamber)
^۱۱ چرخش بیت (Bit Flip)