كم عدد الجسيمات الكونية التي تمر عبر جسمك في أي لحظة؟

في كل ثانية من كل يوم، تتعرض الأرض لقصف بالجسيمات القادمة من الفضاء الخارجي. يتم إعاقة بعض هذه الجسيمات بواسطة الغلاف الجوي لكوكبنا، ولكنها يمكن أن تتناثر جزيئات أخرى، بينما يمكن للبعض الآخر التحليق عبر الغلاف الجوي والمرور بسهولة عبر أي شيء، بما في ذلك نحن.

لن تشعر بهذه الجسيمات وهي تندفع من خلالك، لكن ذلك يثير سؤالًا: كم عدد الجسيمات الكونية التي تمر فعليًا عبر جسمك في أي لحظة؟

الجسيمات الأكثر شيوعًا التي تتدفق عبرنا من الفضاء الخارجي هي البقع الشبحية المعروفة باسم النيوترينوات. “يمر ما يقدر بنحو 100 تريليون نيوترينو عبر كل واحد منا كل ثانية” مايكل صحيحوقال أستاذ الفيزياء بجامعة نيفادا في لاس فيغاس لموقع Live Science:

بالكاد تتفاعل النيوترينوات مع المادة العادية. تمر جميعها تقريبًا عبرنا وبقية الكوكب دون أن تترك أي أثر. وقال برافيكا: “إن حقيقة أن معظم هذه الجسيمات لا تتفاعل معنا أبدًا توضح أن هناك حقيقة أساسية لوجودنا، والكثير منها لا ندركها حتى”.

النيوترينوات تنشأ من النشاط النووي. تقريبًا كل النيوترينوات التي تمر عبرنا تأتي من الاندماج النووي التفاعلات التي تزود الشمس بالطاقة، على الرغم من أن بعض النيوترينوات تنشأ على مسافة أبعد بكثير، حتى المجرات الأخرى، لو لووقال أستاذ مساعد في الفيزياء بجامعة ويسكونسن ماديسون لموقع Live Science:

هناك جسيمات أخرى من خارج كوكب الأرض تضرب الأرض باستمرار الأشعة الكونية — جسيمات مشحونة كهربائيًا وعالية الطاقة تنتقل بسرعة تقريبية سرعة الضوء من كل الاتجاهات، وفقا لجامعة شيكاغو. على الرغم من أن التفاعلات النووية للشمس تنتج أشعة كونية منخفضة الطاقة للغاية، إلا أن الغالبية العظمى من الأشعة الكونية تأتي من خارج النظام الشمسي. يمكن أن تنشأ هذه عندما تنفجر النجوم البعيدة على شكل مستعرات أعظم، وتصل المادة إلى كتلة فائقة الثقوب السوداءأو تصادم المجرات، بحسب جامعة شيكاغو.

تكون الأشعة الكونية في الغالب إما بروتونات، وهي نوى ذرات الهيدروجين، أو النوى الذرية لعناصر أثقل (والتي تحتوي على كل من البروتونات والنيوترونات)، مثل الهيليوم أو الحديد. تشكل الإلكترونات والبوزيترونات (نظيرات الإلكترونات من المادة المضادة) أيضًا جزءًا صغيرًا من الأشعة الكونية.

وقال لو إنه عندما تضرب الأشعة الكونية الأرض، يتم حجبها بشكل عام بواسطة جزيئات الهواء الموجودة في الغلاف الجوي لكوكبنا. ومع ذلك، يمكن لهذه الاصطدامات أن تولد زخات من الجسيمات الثانوية التي تصل إلى الأرض. وتشمل هذه الميونات، وهي جسيمات دون ذرية سالبة الشحنة تشبه إلى حد كبير الإلكترونات باستثناء أن كتلتها تزيد عن 200 مرة.

وقال لو إنه عند مستوى سطح البحر على الأرض، يمر حوالي ميون واحد لكل 0.15 بوصة مربعة (1 سم مربع) في الدقيقة. وأشارت إلى أنه “بالنسبة للشخص يتراوح العدد بين العشرات والمئات في الثانية”. “تمر واحدة أو اثنتين تقريبًا من خلال اليد كل ثانية.”

ونظرًا لأن الميونات مشحونة كهربائيًا، فيمكنها التفاعل مع المادة التي تواجهها. وقال لو: “يمكن رؤية مساراتهم في غرفة سحابية”، وهو صندوق من البخار يمكن رؤية أثر من الضباب فيه عندما يمر جسيم مشحون عبر البخار.

وعلى النقيض من ذلك، فإن النيوترينوات ليست مشحونة كهربائيًا. كما أنها لا تحتوي على كتلة تقريبًا. هاتان الصفتان تجعل من الصعب للغاية اكتشاف النيوترينوات، ولهذا السبب يطلق عليها غالبًا اسم “جسيمات الشبح”.

الكشف عن الجزيئات الكونية

وقال لو إن العلماء يقدرون عدد النيوترينوات التي تمر عبر أجسامنا من خلال تسجيل “الجزء الصغير الذي يصطدم بالمادة داخل الكاشف أو بالقرب منه”. “كل شيء آخر يتبعه العمل بشكل عكسي من هؤلاء القلة.”

على سبيل المثال، مرصد آيس كيوب للنيوترينو في القارة القطبية الجنوبية يحيط بـ 0.24 ميل مكعب (1 كيلومتر مكعب) من الجليد مع الآلاف من أجهزة استشعار الضوء. “عندما يتفاعل النيوترينو مع نواة ذرية في الجليد، فإنه ينتج جسيمات مشحونة سريعة الحركة، وتنبعث من تلك الجسيمات وميض خافت من اللون الأزرق ضوء شيرينكوفقال لو: “الذي تسجله أجهزة الاستشعار. ومن نمط وسطوع ذلك الضوء، يمكننا إعادة بناء طاقة النيوترينو واتجاهه”.

وقال لو: “لتقدير عدد النيوترينوات التي تمر عبر الأرض بناءً على هذه التفاعلات المسجلة، نأخذ في الاعتبار حجم الكاشف، ومدة تشغيله، وكفاءة الكشف، واحتمال تفاعل نيوترينو من طاقة معينة على الإطلاق”. “إنه يشبه إلى حد ما تقدير عدد الأسماك في النهر من خلال عدد قليل من الأسماك التي تم اصطيادها في شبكة خشنة للغاية. إذا كنت تعرف حجم الشبكة، وكم من الوقت كانت في الماء، ومدى سهولة انزلاق الأسماك عبرها، يمكنك العمل بشكل عكسي للنهر بأكمله.”

عندما يتعلق الأمر بالنيوترينوات التي يدرسها آيس كيوب، على الرغم من مرور تريليونات منها عبر كل جسم من أجسادنا كل ثانية، إلا أن أيًا منها تقريبًا لا يتفاعل مع ذراتنا. وقال لو: “لا تتوقع أكثر من تفاعل واحد تقريبًا في جسمك، وربما القليل منه، على مدار حياتك بأكملها”.

هذه التفاعلات النادرة لن يكون لها أي تأثير علينا. وقال لو إنه بالنظر إلى ضآلة الطاقة التي يمكن أن يودعها مثل هذا التفاعل، فإن مثل هذه النيوترينوات “لا تشكل أي خطر على الصحة على الإطلاق”.

في المقابل، فإن وابل الجسيمات الناتج عن تأثيرات الأشعة الكونية يمكن أن يؤثر على البيولوجيا البشرية. وقال لو: “على مستوى الأرض، تهيمن الميونات على الجسيمات المشحونة المخترقة التي تصل إلينا من زخات الأشعة الكونية”. “على ارتفاعات أعلى، وخاصة أثناء السفر الجوي، تساهم الجسيمات الثانوية الأخرى، وخاصة النيوترونات، بحصة كبيرة من الجرعة ذات الصلة بيولوجيا.”

ومع ذلك، فإن أي تأثيرات ناتجة عن زخات الأشعة الكونية هذه تكون صغيرة بشكل عام. “بالنسبة للشخص العادي، يساهم الإشعاع الكوني بحوالي 0.4 مللي سيفرت سنويًا، أي ما يعادل تقريبًا كمية قليلة من الإشعاعات الصدرية.” الأشعة السينية قال لو: “تنتشر على مدار العام، من خلفية طبيعية إجمالية تبلغ حوالي 2.4 مللي سيفرت من جميع المصادر. وتختلف الجرعة باختلاف الارتفاع وخط العرض والتدريع. على مستوى الأرض النموذجي، لا تعتبر الميونات وجسيمات الأشعة الكونية الأخرى خطرا كبيرا على الصحة. لقد غمرتهم الحياة على الأرض منذ البداية.”

لذلك، في كل ثانية، هناك حوالي 100 تريليون نيوترينو وعشرات إلى مئات الميونات تمر عبر جسمك في الثانية، وربما تشتت صغير من النيوترونات والجسيمات الكونية الأخرى أو الحطام من الجسيمات الكونية التي تؤثر على الغلاف الجوي.

قد تؤدي هذه الجسيمات الكونية إلى مجموعة متنوعة من الاكتشافات. على سبيل المثال، استخدم العلماء أجهزة كشف الميونات للتعرف عليها الممرات الخفية في الأهرامات. وقال لو: “إن النيوترينوات عالية الطاقة تسمح لنا بدراسة بعض البيئات الأكثر عنفاً والخفية في الكون، مثل المناطق المحيطة بالثقوب السوداء، والنجوم المتفجرة وغيرها من المسرعات الكونية القوية”.

وأوضحت: “نظرًا لأن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف جدًا، فإنها يمكنها الهروب من المناطق الكثيفة التي قد لا يتمكن الضوء من اختراقها”. “وبالتالي فهي تحمل المعلومات مباشرة من الأماكن التي يتم فيها إنتاج بعض الجزيئات الأكثر نشاطا في الطبيعة.”

وقال لو بشكل عام، “إن الجسيمات المتدفقة عبرنا هي تذكير دائم بأننا لسنا منفصلين عن الكون”. “نحن جزء من قصة كونية تمتد إلى 13.8 مليار سنة“.

تعرف على مقدار ما تعرفه عن الثقوب السوداء من خلال موقعنا مسابقة الثقب الأسود!