กล้องโทรทรรศน์อวกาศเผยรูปแบบจักรวาลที่นักวิทยาศาสตร์สนใจมานานกว่าศตวรรษ

กล้องโทรทรรศน์อวกาศตรวจพบรูปแบบสากลในอนุภาคจักรวาลที่นักวิจัยพยายามค้นหามาตั้งแต่ปี 1912 ดาวเทียม DAMPE พบคุณสมบัติเดียวกันนี้ในนิวเคลียสของรังสีคอสมิกหลายตัว ตั้งแต่โปรตอนแสงไปจนถึงนิวเคลียสของเหล็ก การค้นพบนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ในที่สุดอาจเผยให้เห็นว่าอนุภาคเหล่านี้ถูกเร่งและเคลื่อนย้ายผ่านจักรวาลอย่างไร หลังจากการถกเถียงทางวิทยาศาสตร์มานานหลายทศวรรษ

การวิจัยชี้ให้เห็นถึงหลักการทางกายภาพทั่วไปที่ควบคุมพฤติกรรมของอนุภาคเหล่านี้ทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงมวลหรือองค์ประกอบของอนุภาค นักวิทยาศาสตร์ได้รับระดับความเชื่อมั่น 99.999% เมื่อตรวจสอบทฤษฎีนี้กับแบบจำลองทางเลือก ถือเป็นก้าวสำคัญสำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่

รูปแบบที่ปรากฏในทุกอนุภาค

ข้อมูล DAMPE เปิดเผยปรากฏการณ์ที่เรียกว่าสเปกตรัมอ่อนตัวลงในรังสีคอสมิกหลายประเภท จำนวนอนุภาคที่ตรวจพบจะลดลงอย่างกะทันหันหลังจากถึงเกณฑ์ความแข็งแกร่งที่แน่นอน โดยเฉพาะประมาณ 15 เทราอิเล็กตรอนโวลต์ การลดลงอย่างรวดเร็วนี้จะปรากฏอย่างสม่ำเสมอในโปรตอน ฮีเลียม คาร์บอน ออกซิเจน และเหล็ก

Andrii Tykhonov รองศาสตราจารย์ภาควิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาคแห่งมหาวิทยาลัยเจนีวาและผู้เขียนร่วมของการศึกษา อธิบายองค์ประกอบของอนุภาคเหล่านี้และระดับพลังงานของพวกมัน:

• โปรตอน: อนุภาคปฐมภูมิของรังสีคอสมิก
• ฮีเลียม คาร์บอน ออกซิเจน และนิวเคลียสของเหล็ก: ส่วนประกอบรอง
• พลังงานต่ำ: สูงถึงสองสามพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์
• พลังงานขั้นกลาง: จากไม่กี่พันล้านถึงหลายร้อยพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์
• พลังงานสูง: มากกว่า 1,000 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์

ความแข็งซึ่งวัดเป็นเทราอิเล็กตรอนโวลต์ อธิบายว่าอนุภาคมีประจุต้านทานการโค้งงอด้วยสนามแม่เหล็กได้มากเพียงใดขณะเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ คุณสมบัตินี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นพื้นฐานมากกว่าพลังงานต่อนิวคลีออน ซึ่งเป็นแนวคิดที่เป็นแนวทางในการวิจัยส่วนใหญ่ก่อนหน้านี้

ภารกิจเก่าแก่หลายศตวรรษสิ้นสุดลง

รังสีคอสมิกเป็นอนุภาคที่มีประจุซึ่งเดินทางผ่านกาแลคซีด้วยพลังงานที่สูงมาก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสิ่งเหล่านี้กำเนิดจากปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่รุนแรง รวมถึงการระเบิดของซูเปอร์โนวา พัลซาร์ และไอพ่นที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำ เป็นเวลากว่าร้อยปีแล้วที่นักวิจัยได้ถกเถียงกันถึงกลไกที่แน่นอนของการเร่งและการเคลื่อนย้ายอนุภาคเหล่านี้

กล้องโทรทรรศน์ DAMPE ซึ่งมีตัวย่อมาจาก Dark Matter Particle Explorer เปิดตัวในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2558 โดยมีวัตถุประสงค์เบื้องต้นในการตรวจจับสสารมืด ข้อมูลที่รวบรวมนับแต่นั้นมาได้ให้ข้อมูลจำนวนที่ไม่เคยมีมาก่อนเกี่ยวกับรังสีคอสมิกพลังงานสูง ภารกิจการโคจรของดาวเทียมช่วยให้สามารถสังเกตการณ์ได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเผยให้เห็นรูปแบบที่ไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยเครื่องมือภาคพื้นดิน

ความเข้มงวดอธิบายพฤติกรรมสากลอย่างไร

การสังเกตการณ์ของ DAMPE สนับสนุนอย่างยิ่งว่ารังสีคอสมิกมีรูปร่างตามความแข็งแกร่งมากกว่าพลังงานหารด้วยจำนวนนิวคลีออน รุ่นเก่าที่ใช้การวัดล่าสุดนี้ไม่สอดคล้องกับข้อมูลที่รวบรวมโดยดาวเทียมในช่วงสิบปีที่ผ่านมา การค้นพบนี้กำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับแบบจำลองการเร่งอนุภาคในปัจจุบันในสภาพแวดล้อมทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์สุดขั้ว

นักวิจัยกล่าวว่าการค้นพบนี้ช่วยให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่ารังสีคอสมิกได้รับพลังงานมหาศาลได้อย่างไรก่อนที่จะเดินทางข้ามอวกาศระหว่างดวงดาว การทำความเข้าใจกลไกนี้เป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจพลวัตของปรากฏการณ์จักรวาลที่มีความรุนแรง บทบาทของสนามแม่เหล็ก คลื่นกระแทก และเหตุการณ์รุนแรงในจักรวาลยังคงเป็นข้อถกเถียงบางส่วน แต่ตอนนี้มีหลักฐานที่ชัดเจนมากขึ้น

การวิจัยแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของอนุภาค ด้วยการแสดงให้เห็นว่ารังสีคอสมิกประเภทต่างๆ เป็นไปตามกฎทางกายภาพสากลที่เหมือนกัน นักวิทยาศาสตร์ได้เปิดมุมมองใหม่ในการทำความเข้าใจว่าธรรมชาติเร่งและขนส่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงที่สุดผ่านจักรวาลอย่างไร