Οι κοσμικές ακτίνες με την υψηλότερη ενέργεια: UHECR

Άρθρο, Φεβρουάριος 2005

Ανάμεσα στον καταιγισμό των υποατομικών σωματιδίων που βομβαρδίζουν τη Γη από το Διάστημα, υπάρχουν και ορισμένα με μια τερατώδη ενέργεια, που φτάνουν όμως σπάνια μέχρι εδώ. Είναι σωματίδια υπερ-υψηλής ενέργειας, δηλαδή έχουν 100.000 δισεκατομμύρια φορές περισσότερη απ' ό,τι τα τυπικά σωματίδια που εκπέμπονται από τις ραδιενεργές διασπάσεις. Ορισμένοι θεωρούν ότι οφείλονται σε εξαιρετικά ισχυρά κοσμικά φαινόμενα, όπως η δημιουργία ή η προσαύξηση των τεράστιων μαύρων οπών.

Πρόσφατα ο Glennys Farrar, φυσικός στο πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, ανακοίνωσε στο συνέδριο της AAS ότι, για πρώτη φορά, απομονώθηκε και  μελετήθηκε μια πηγή κοσμικών ακτίνων υπερ-υψηλής ενέργειας. Τα στοιχεία των πειραμάτων λήφθηκαν από μια πειραματική συνεργασία με τίτλο Akeno Giant Air Shower Array (AGASA), στο Τόκιο καθώς και στον ανιχνευτή High Resolution Fly's Eye Air Fluorescence (HiRes) στην Utah .

Μέχρι τώρα, ο μόνος τρόπος που είχαν οι αστροφυσικοί να εξετάσουν το Σύμπαν ήταν να μελετήσουν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, που εκπέμφθηκε και που απορροφήθηκε από τα αστέρια, το αέριο, και τη διαστρική σκόνη σε διάφορα μήκη κύματος. Από τα χαμηλά ενεργειακά ραδιοκύματα, έως τα οπτικά φωτόνια και τις ακτίνες υψηλής ενέργειας  - ακτίνες X και γάμμα. Η κοσμική ακτινοβολία από σωματίδια υπερ-υψηλής ενέργειας που βρέθηκαν είναι μια σημαντική ανακάλυψη για την αστρονομία των κοσμικών ακτίνων. Είναι δε η πρώτη φορά που προσδιορίστηκαν σωματίδια από το απόμακρο Σύμπαν, χωρίς να χωριστούν και χωρίς απώλεια της μνήμης της πηγής τους. Αυτό θα βοηθήσει τους αστροφυσικούς να εξερευνήσουν λεπτομερέστερα και με περισσότερα στοιχεία ακραία γεγονότα, όπως είναι η δημιουργία των μαύρων οπών.

Οι συνηθισμένες κοσμικές ακτίνες έχουν εξηγηθεί αρκετά καλά, αλλά η φύση και η πηγή αυτών των υπερυψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων (UHECR) -- με ενέργειες πάνω από 10¹⁹ eV -- είναι ένα μυστήριο. Αυτά τα σωματίδια είναι εξαιρετικά σπάνια -- κτυπούν τη γη μόλις μία φορά ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ανά αιώνα -- και έχουν παρατηρηθεί μόνο 100 τέτοια γεγονότα. Μερικά σωματίδια έχουν σχεδόν ένα τρισεκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που επιτυγχάνεται στους επιταχυντές της υψηλής ενέργειας.

Από την ιστορία

Η ύπαρξη τέτοιων σωματιδίων UHECR είναι ένα δίλημμα για τους φυσικούς. Λίγα αστροφυσικά συστήματα είναι σε θέση να δώσουν στα σωματίδια τέτοιες ενέργειες. Οι πλέον πιθανοί υποψήφιοι θα ήταν εκρήξεις ακτίνων γάμμα ή ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες ή κβάζαρ. Εντούτοις, σύμφωνα με τους νόμους της ειδικής σχετικότητας, οι υπερ-υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες, που παράγονται από τέτοια φαινόμενα, πρέπει να χάνουν την ενέργεια τους όταν συγκρούονται με την πανταχού παρούσα μικροκυματική κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, ένα κατάλοιπο της Μεγάλης Έκρηξης.

Αμέσως δε μετά από την ανακάλυψη κατά το 1965, από τους Penzias και Wilson, του Κοσμικού Μικροκυματικού Υποβάθρου (CMB), επισημάνθηκε από τους Greisen, Kuzmin και Zatsepon (GKZ) ότι πρωτόνια με ενέργεια πάνω από ένα ορισμένο κατώφλι δεν μπορούν να διαδοθούν μέσω των φωτονίων της CMB πάνω από την απόσταση των 50Mpc. Έτσι προβλέφθηκε ότι κοσμικές ακτίνες θα σταματούν σε αυτήν την ενέργεια, κάπου μεταξύ των δέκα και εκατό εκατομμυρίων TeV.

Επομένως, εκτός κι αν οι γνωστοί νόμοι της φυσικής παραβιάζονται σε αυτές τις απρόσιτες ενέργειες, η κοσμική ακτινοβολία UHECR που βλέπουμε πρέπει να έχει δημιουργηθεί σε μια απόσταση περίπου 50 -100 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Αλλά καμία φανερή πηγή δεν είχε προσδιοριστεί μέχρι τώρα τόσο κοντά, προς την κατεύθυνση των κοσμικών ακτίνων UHECR, που είχαν παρατηρηθεί. Αυτό οδήγησε μερικούς θεωρητικούς να προτείνουν ότι η κοσμική ακτινοβολία UHECR δεν παράγεται από τους αστροφυσικούς επιταχυντές, αλλά είναι τα υποπροϊόντα της διάσπασης αόρατων αλλά υπέρβαρων κατάλοιπων από το Big Bang ή με κάποια άλλη εξωτική διαδικασία. Αυτά δε τα κατάλοιπα του Big Bang αναμένεται να ανακαλυφθούν στην άλω του Γαλαξία μας,  Η νέα ανακάλυψη πρέπει να βοηθήσει να διευκρινίσει ακριβώς τι είναι η πηγή αυτών των UHECR. 

Αλλά έχουν παρατηρηθεί αρκετά παραδείγματα κοσμικών τέτοιων ακτίνων με αρχική ενέργεια πάνω από εκατό εκατομμύριο TeV, ένα δε πρόγραμμα που θα υλοποιηθεί στο Παρατηρητήριο Pierre Auger στην Αργεντινή, αναμένεται να βρει εκατοντάδες φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν. Κανένας όμως μηχανισμός επιτάχυνσης δεν είναι γνωστός ότι δίνει τέτοιες υψηλές ενέργειες, μέσα στο τοπικό σμήνος μας και δεν μπορεί να είναι κοσμολογικός  λόγω αυτής της διακοπής που ονομάζεται πια μηχανισμός GKZ. Αυτό είναι το γνωστό πρόβλημα στους αστροφυσικούς κύκλους, με την ονομασία UHECR .

Από ορισμένους διατυπώθηκε η άποψη ότι πηγή των ακτίνων UHECR ήταν η διάσπαση ενός υπέρβαρου (υπέρπυκνου) σωματιδίου και δόθηκε έμφαση στο πρόβλημα της μεγάλης διάρκειας ζωής ενός τέτοιου σωματιδίου. Στα περισσότερα μοντέλα η διάρκεια ζωής είναι πολύ μικρότερη από την ηλικία του σύμπαντος, όπου πρέπει να είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερης διάρκειας.

Επίσης, άλλοι τις συνδέουν με τα νετρίνα, αν τελικά έχουν κάποια μάζα όπως πιθανολογείται. Η μεγάλη διάρκεια ζωής του σωματιδίου που τις δημιουργεί είναι ακόμα πρόβλημα και πιστεύεται ότι η λύση θα έρθει αν ψάξουμε για διάσπαση σε μια βράνη πολλών διαστάσεων. Εάν υιοθετηθεί αυτή η άποψη, το πρόβλημα UHECR μπορεί να θεωρηθεί σαν απόδειξη των πρόσθετων χωρικών διαστάσεων.

Αν αποκαλυφθεί λοιπόν η ταυτότητα αυτών των ακτίνων UHECR, ενδεχομένως να ακολουθήσει η ανακάλυψη παράξενων αντικειμένων στο Διάστημα. Την απάντηση θα μας δώσει το Pierre Auger. Πρόκειται για μια πολύ μεγάλη διάταξη τηλεσκοπίων και ανιχνευτών γεμάτων με νερό που καλύπτουν έκταση 3.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων, σε μια τοποθεσία που βρίσκεται 1.000 χιλιόμετρα δυτικά του Μπουένος Άιρες.

Όταν μια κοσμική ακτίνα χτυπά ένα άτομο στην ατμόσφαιρα, τότε ξεπροβάλλουν σαν πυροτέχνημα άλλα σωματίδια που καταλήγουν στο έδαφος. Το αστεροσκοπείο στην Αργεντινή θα επιχειρήσει να ανιχνεύσει τόσο τον φθορισμό που προκαλούν στον αέρα τα σωματίδια όσο και τα ίδια τα σωματίδια τα οποία πέφτουν, ώστε να κατανοηθούν η ενέργεια και ο τόπος προέλευσης της συγκεκριμένης κοσμικής ακτινοβολίας. Κάποιοι αστρονόμοι λένε ότι οι πηγές των ακτίνων μπορεί να προέρχονται ακόμη και από την έκρηξη υπερσυμπιεσμένων σωματιδίων που δημιουργήθηκαν μια απειροελάχιστη στιγμή μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.