Κοσμικές ακτίνες από τα σύνορα του Σύμπαντος.
100 χρόνια από την πρώτη επαφή με τις κοσμικές ακτίνες.

Άρθρο Ιούνιος 2001

Εισαγωγή

Πριν από 100 χρόνια περίπου, με τη βοήθεια των πρώτων θαλάμων ιοντισμού, οι φυσικοί ανακάλυψαν πως συνέβαινε ιοντισμός στα αέρια του θαλάμου, ακόμη και χωρίς την παρουσία ραδιενεργού υλικού. Η άγνωστη ακτινοβολία που δημιουργούσε τον  ιοντισμό αυτό, δεν εξαλειφόταν, ούτε με την πιό ισχυρή θωράκιση.
Πριν από 90 χρόνια περίπου, την διετία 1911-1912, ο Hess με αερόστατα γεμάτα πειραματικά όργανα και σε ύψος 5.000m,  ανακάλυψε πως η ένταση της άγνωστης ακτινοβολίας αυξάνεται σημαντικά με το ύψος και διατηρούσε την ίδια περίπου ένταση ημέρα και νύχτα. Τα συμπεράσματα ήταν λοιπόν προφανή. Προερχόταν από το διάστημα (έξω από την ατμόσφαιρα) και δεν προερχόταν από τον Ήλιο, όπως μέχρι τότε θεωρούσαν. 

Κατά την δεκαετία του 1920-1930 ο Robert Millikan, απέδειξε πως η ατμόσφαιρα απορροφεί τις πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες (που σήμερα γνωρίζουμε πως αποτελούνται από σωματίδια (πρωτόνια και άλλους γυμνούς πυρήνες στοιχείων, λίγα ηλεκτρόνια και  ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ευρείας περιοχής του Η/Μ φάσματος). Οι αντιδράσεις των σωματιδίων αυτών με τα άτομα και ιόντα του αέρα παράγουν δευτερογενή ακτινοβολία με πολύ μικρότερη ενέργεια όμως και διαφορετική σύνθεση, κυρίως σωματίδια παράξενα, άγνωστα στους περισσότερους, πχ βραχύβια υποατομικά σωματίδια, που μετατρέπονται σε άλλα πάλι βραχύβια σωματίδια, πχ μεσόνια, πιόνια, μιόνια κλπ. Με την ανακάλυψη πως πολλά μεσόνια π⁺, π^- και π⁰ , παράγονται σε πυρηνικές κρούσεις υψηλής ενέργειας βρέθηκε ο χαμένος κρίκος για την ερμηνεία της μεγάλης ροής των φωτονίων και ηλεκτρονίων της ατμόσφαιρας.
Είχαμε έτσι την ευκαιρία να παρατηρήσουμε άγνωστα σωματίδια, στο πρώτο 'εργοστάσιο' υποατομικών σωματιδίων, πριν φτιάξουμε το CERN, το Fermilab και άλλους συγκρουστές υποατομικών σωματιδίων.

Αργότερα ανακαλύφθηκε πως στον γήϊνο ισημερινό, η ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας ήταν μικρότερη από την περιοχή των πόλων, λόγω της δυσκολίας που συναντούν τα φορτισμένα άτομα από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ως γνωστόν στους Πόλους το μαγνητικό πεδίο είναι μικρότερο από τον Ισημερινό, και εισέρχονται πιό εύκολα.

Κατά την δεκαετία του 1930 ανακάλυψαν οι φυσικοί μια 'μαλακή' και μια 'σκληρή' συνιστώσα των ακτίνων. Οι 'σκληρές' συνιστώσες έχουν ενέργεια μέχρι και 10¹⁶ eV. Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών, υπονοεί πως κάπου στο σύμπαν, υπάρχουν δυνάμεις που μπορούν να μεταδώσουν σε ένα απλό πρωτόνιο 100 εκατομμύρια φορές την ενέργεια, που μπορεί να επιτευχθεί στον πιό ισχυρό επιταχυντή της Γης.

Μετά το 1950, ο κόσμος εισήλθε στην διαστημική εποχή, την εποχή του Σπούτνικ, των Pioneer, Mariner, Mars, Venera κλπ. Οι φυσικοί είχαν λοιπόν την ευκαιρία, να παρατηρήσουν την πρωτογενή κοσμική ακτινοβολία, χωρίς τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας.

Το 1961, πριν σαράντα χρόνια, βρέθηκαν στην κοσμική ακτινοβολία ηλεκτρόνια, σε αναλογία 2 προς 100 πρωτόνια, κι έτσι επιβεβαιώθηκαν οι θεωρίες για την ύπαρξη τους. Μετά βρέθηκε πως η ποσότητα των ηλεκτρονίων περιέχει και ποζιτρόνια σε αναλογία 10%, που παράγονται από τις συγκρούσεις πρωτονίων υψηλής ενέργειας και πυρήνων υδρογόνου. Η μαρτυρία όμως για τα ηλεκτρόνια είχε προκύψει από την παρατήρηση της ακτινοβολίας ραδιοκυμάτων  που προερχόταν από ολόκληρο το Γαλαξία.
Τα ραδιοκύματα αυτά ερμηνεύτηκαν με την παραδοχή πως ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, πλησίον της ταχύτητας του φωτός, μέσα σε μαγνητικά πεδία του Γαλαξία μας, παράγουν την παρατηρουμένη ακτινοβολία ραδιοκυμάτων που αποτελούν την γνωστή ακτινοβολία  'σύγχροτρον'.

Κατανομή ενέργειας

Η ενεργειακή κατανομή των σωματιδίων, δεν κάνει διάκριση στα διάφορα συστατικά που αποτελούν τις κοσμικές ακτίνες. Έτσι παρατηρούμε, πως η κινητική ενέργεια ανά νουκλεόνιο αρχίζει από 10MeV, για διαφορετικές ροές νουκλεονίων. Φυσικά οι μεγαλύτερες κινητικές ενέργειες παρατηρούνται σε ελάχιστες ροές σωματιδίων. Για να μετρηθούν αυτά τα σωματίδια με τις εκπληκτικές ενέργειες, πρέπει να παρατηρηθούν σε μέγάλες εκτάσεις και σε μεγάλους χρόνους, λόγω της σπανιότητας τους. Έχουν όμως πολύ μεγάλη σημασία, γιατί περιέχουν σημαντικές πληροφορίες για την προέλευση τους.

Ίσως το πιό αξιοπρόσεκτο χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτής της ακτινοβολίας, είναι ότι οι επιστήμονες δεν έχουν βρεί ακόμα ένα φυσικό όριο στο φάσμα των κοσμικών ακτίνων. Οι περισσότερες γνωστές πηγές φορτισμένων σωματιδίων -- όπως ο ήλιος, με τον ηλιακό άνεμο του -- έχουν ένα χαρακτηριστικό ενεργειακό όριο. Απλά δεν παράγουν σωματίδια με ενέργειες επάνω από αυτό το όριο.
Αντίθετα, οι κοσμικές ακτίνες εμφανίζονται, αν και με μειωμένους αριθμούς, με ενέργειες τόσο υψηλές, όσο μπορούν να μετρήσουν οι αστροφυσικοί. Τα στοιχεία τώρα βρίσκονται σε επίπεδα γύρω από 300 δισεκατομμύρια φορές την μάζα ηρεμίας ενός πρωτονίου, επειδή δεν υπάρχει κανένας σημερινός ανιχνευτής αρκετά μεγάλος, για  να επιλέξει τον πολύ χαμηλό αριθμό εισερχόμενων σωματιδίων που προβλέπεται.

Εντούτοις, τα στοιχεία των υπερβολικά υψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων, έχουν παρατηρηθεί σε διαστήματα αρκετών ετών, δεδομένου ότι τα σωματίδια που χτυπούν την ατμόσφαιρα δημιουργούν μυριάδες δευτεροβάθμια σωματίδια  (που είναι ευκολότερα να ανιχνευτούν). Στις 15 Οκτωβρίου του 1991, παραδείγματος χάριν, ένα παρατηρητήριο κοσμικών ακτίνων, στην έρημο του Utah καταχώρησε ένα ντους δευτεροβάθμιων σωματιδίων από μια κοσμική ακτίνα 50-Joule (3 X 10²⁰ eV). Αν και η ροή κοσμικών ακτίνων, μειώνεται στην υψηλότερη ενέργεια, τα επίπεδα αυτής της ροής που γίνεται κάπως απότομα, μας υποδεικνύουν ότι οι μηχανισμοί οι αρμόδιοι για τις υπερβολικά υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες, είναι διαφορετικοί από εκείνους για τις ακτίνες της μέσης ενέργειας.

Για την άμεση ανίχνευση τους, χρησιμοποιούμε ανιχνευτές πέρα της ατμόσφαιρας. Για ακτίνες μεγάλης ενέργειας μπορούμε να περιμένουμε και χρόνια ακόμη. Αλλά για τις έμμεσες ανιχνεύσεις τους, χρησιμοποιούμε τις αλληλεπιδράσεις τους με τα σωματίδια της ατμόσφαιρας.
Από ένα και μόνο σωματίδιο της κοσμικής ακτινοβολίας ενέργειας 1020 eV, μπορούν να φτάσουν στη Γη περίπου 1011 συνολικά σωματίδια, που το φάσμα τους μας δίνει πληροφορίες για την διάγνωση του είδους, την ενέργεια και την κατεύθυνση του αρχικού σωματιδίου. Βέβαια παίζει ρόλο και η αρχική ενέργεια, γιατί κάτω από κάποιο όριο, η ατμόσφαιρα απορροφάει τα σωματίδια που γεννιούνται. 

Πού δημιουργούνται όμως και πώς;

Αυτές οι ερωτήσεις έχουν απασχολήσει τους φυσικούς, από το 1912, τότε που  ανακαλύφθηκαν αρχικά οι κοσμικές ακτίνες.
Η διαστρική περιοχή, περιέχει ατομικούς πυρήνες κάθε στοιχείου του περιοδικού πίνακα, που κινούνται όλοι κάτω από την επιρροή ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Χωρίς την προστασία της γήινης ατμόσφαιρας, οι κοσμικές ακτίνες θα έθεταν σε κίνδυνο την υγεία πολλών ανθρώπων, αυτών που ζουν στις ορεινές περιοχές ή που κάνουν συχνά ταξίδια σε αεροπλάνα, γιατί θα έπαιρναν μια σημαντική και μετρήσιμη πρόσθετη δόση ακτινοβολίας.

Το 1960 ο Bernard Peters του Ινστιτούτου Tata στη Βομβάη, πρότεινε ότι οι χαμηλές- ενεργειακές κοσμικές ακτίνες παράγονται κυρίως μέσα στο γαλαξία μας, ενώ εκείνοι της υψηλότερης ενέργειας προέρχονται από τις πιό απόμακρες πηγές. Ένας λόγος για να σκεφτεί έτσι κάποιος είναι ότι ένα πρωτόνιο κοσμικής ακτίνας, που φέρνει περισσότερο από 10¹⁹ eV, παραδείγματος χάριν, δεν θα εκτρεπόταν σημαντικά από κανένα από τα μαγνητικά πεδία που υπάρχουν σε έναν γαλαξία, έτσι θα ταξίδευε λίγο πολύ σε ευθεία γραμμή. Εάν τέτοια σωματίδια ήρθαν από το εσωτερικό του γαλαξία μας, θα αναμέναμε να δούμε διαφορετικούς αριθμούς εισερχομένων από διάφορες κατευθύνσεις, επειδή ο γαλαξίας μας δεν διευθετείται συμμετρικά γύρω από μας. Αλλά όπως παρατηρήσαμε όμως η διευθέτηση είναι ουσιαστικά ισοτροπική, όπως είναι των χαμηλών-ενεργειακών ακτίνων, οι κατευθύνσεις  των οποίων είναι διεσπαρμένες.

Τέτοια αδύναμα συμπεράσματα αποκαλύπτουν πώς λίγα είναι γνωστά με σιγουριά για την προέλευση των κοσμικών ακτίνων. Οι   αστροφυσικοί έχουν εύλογα μοντέλα για το πώς μπορούν να παραχθούν, αλλά δεν έχουν καμία οριστική απάντηση. Αυτή η παρούσα κατάσταση μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της σχεδόν αφάνταστης διαφοράς μεταξύ των συνθηκών στη Γη και στις περιοχές όπου οι κοσμικές ακτίνες γεννιούνται. Το διάστημα μεταξύ των αστεριών περιέχει μόνο περίπου ένα άτομο ανά κυβικό εκατοστόμετρο, μια πολύ χαμηλότερη πυκνότητα από τα καλύτερα τεχνητά κενά που μπορούμε να δημιουργήσουμε. Επιπλέον, αυτοί οι όγκοι γεμίζουν με απέραντα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, που συνδέονται στενά με έναν διάχυτο πληθυσμό των φορτισμένων σωματιδίων πιό πολυάριθμων από τα ουδέτερα άτομα.

Σουπερνόβες, η κύρια πηγή;

Οι αστρονόμοι από καιρό έχουν σκεφτεί ότι ο όγκος των γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων -- εκείνες με ενέργειες κάτω από περίπου 1016 eV -- δημιουργείται με τις σουπερνόβες. Ένας λόγος που αναγκάζει την ύπαρξη αυτής της θεωρίας, είναι ότι η ισχύς που απαιτείται για να διατηρήσει τον παρατηρηθέντα ανεφοδιασμό των κοσμικών ακτίνων στον Γαλαξία μας,  είναι μόνο ελαφρώς λιγότερη από τη μέση κινητική ενέργεια που κατανέμεται στο γαλαξιακό μέσο, από τις τρεις εκρήξεις σουπερνοβών που εμφανίζονται κάθε αιώνα. Υπάρχουν λίγες, ενδεχομένως, άλλες πηγές αυτού του ποσού της ισχύος στο γαλαξία μας.

Όταν ένα ογκώδες αστέρι καταρρέει, τα εξωτερικά μέρη του αστεριού εκρήγνυνται με ταχύτητες μέχρι 10.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ίσως και περισσότερο. Ένα παρόμοιο ποσό ενέργειας αποδεσμεύεται όταν ένα λευκό νάνο- αστέρι υποβάλλεται σε μια πλήρη αποσύνθεση σε μια θερμοπυρηνική έκρηξη. Και στους δύο τύπους σουπερνοβών (Ι και ΙΙ), η εκτιναγμένη ύλη,   επεκτείνεται με υπερηχητικές ταχύτητες, που οδηγούν σε έναν ισχυρό κλονισμό (shock), στο περιβάλλον μέσο. Τέτοιοι κλονισμοί αναμένονται να επιταχύνουν τους πυρήνες από το υλικό που ξεφεύγει, μετατρέποντας τα σε κοσμικές ακτίνες. Επειδή οι κοσμικές ακτίνες έχουν φορτία, ακολουθούν περίπλοκες πορείες μέσω των διαστρικών μαγνητικών πεδίων. Κατά συνέπεια, οι κατευθύνσεις τους όπως παρατηρείται από την γήινη θέση, καμία πληροφορία δεν δίνουν για τη θέση της αρχικής πηγής τους.

Με την εξέταση της ακτινοβολίας συγχρότρου, που συνδέεται μερικές φορές με τα υπόλοιπα των σουπερνοβών, οι ερευνητές έχουν βρεί τα αμεσότερα στοιχεία ότι οι σουπερνόβες μπορούν να ενεργήσουν ως επιταχυντές. Η ακτινοβολία συγχρότρου είναι χαρακτηριστική των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, που κινούνται σε ένα έντονο μαγνητικό πεδίο του είδους που μπορεί να ενεργήσει ως επιταχυντής κοσμικών ακτίνων, και η παρουσία σύγχροτρων ακτίνων-X σε μερικά υπόλοιπα σουπερνοβών, δηλώνει ιδιαίτερα υψηλές ενέργειες. Πρόσφατα ο ιαπωνικός δορυφόρος Asca των ακτίνων X , έφτιαξε εικόνες του κοχυλιού της σουπερνόβας 1006, το οποίο εξερράγη 990 έτη πριν. Αντίθετα από την ακτινοβολία από το εσωτερικό του υπολοίπου, η Χ-ακτινοβολία από το κοχύλι έχει τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της ακτινοβολίας σύγχροτρων. Οι αστροφυσικοί έχουν  συναγάγει ότι τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται εκεί μέχρις 10 ¹⁴ eV.

Ο ανιχνευτής EGRET στο Compton Παρατηρητήριο των ακτίνων γάμμα,  έχει χρησιμοποιηθεί επίσης για να μελετήσει σημειακές πηγές ακτίνων γάμμα που ταυτίζονται με τα υπόλοιπα σουπερνοβών. Οι παρατηρηθέντα εντάσεις και τα φάσματα (μέχρι δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ) συμφωνούν με μια προέλευση από την αποσύνθεση των σωματιδίων, που   αποκαλούνται ουδέτερα πιόνια, και τα οποία θα μπορούσαν να παραχθούν από τις κοσμικές ακτίνες από τα εκρηγνιόμενα υπόλοιπα του αστεριού που συγκρούεται με το κοντινό διαστρικό αέριο. Κατά ενδιαφέροντα τρόπο, εντούτοις, οι αναζητήσεις που γίνονται από το επίγειο παρατηρητήριο Whipple για τις ακτίνες γάμμα των πολύ υψηλότερων ενεργειών από μερικά από τα ίδια υπόλοιπα, δεν έχουν δει σήματα στα επίπεδα που θα αναμένονταν εάν οι σουπερνόβες επιτάχυναν τα πρωτόνια σε 1014 eV ή και περισσότερα.

Μια συμπληρωματική μέθοδος για την εξέταση του συσχετισμού, των  κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας με τις σουπερνόβες περιλαμβάνει τη στοιχειώδη σύνθεση των πυρήνων των κοσμικών ακτίνων. Το μέγεθος της τροχιάς ενός φορτισμένου σωματιδίου μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, είναι ανάλογο προς την συνολική του ορμή ανά μονάδα φορτίου, έτσι οι βαρύτεροι πυρήνες έχουν  μεγαλύτερη συνολική ενέργεια για ένα δεδομένο μέγεθος τροχιάς. Οποιαδήποτε διαδικασία που περιορίζει την επιτάχυνση σωματιδίων βάσει του μεγέθους της τροχιάς, θα οδηγήσει έτσι σε μια υπερβολή των βαρύτερων πυρήνων στις υψηλές ενέργειες.

Η ταυτότητα των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας, χάνεται ολοκληρωτικά, όταν αλληλεπιδρούν με τα άτομα στην γήινη ατμόσφαιρα και διαμορφώνουν ένα ντους των δευτερογενών σωματιδίων. Ως εκ τούτου, για να είναι απολύτως σίγουρο για την πυρηνική σύνθεση, οι μετρήσεις πρέπει να γίνουν προτού φθάσουν οι κοσμικές ακτίνες στην πυκνή ατμόσφαιρα. Δυστυχώς, για να συλλέξει κάποιος 100 κοσμικές ακτίνες με ενέργειες κοντά στα 10¹⁵ eV, ένας ανιχνευτής ενός τετραγωνικού μέτρου, θα έπρεπε να είναι σε τροχιά γύρω από τη Γη, για τρία έτη. Οι ερευνητές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα με κάποια έξυπνα πειράματα. Παραδείγματος χάριν, η NASA έχει αναπτύξει τεχνικές με μπαλόνια μεγάλου ύψους για πολλές ημέρες. Αυτά τα πειράματα κόστισαν ένα ελάχιστο μέρος αυτού που θα κόστιζε ένας ισοδύναμος δορυφορικός ανιχνευτής. Οι επιτυχέστερες πτήσεις αυτού του τύπου έχουν πραγματοποιηθεί στην Ανταρκτική, όπου οι ανώτεροι άνεμοι της ατμόσφαιρας φυσούν σε έναν σχεδόν σταθερό κύκλο γύρω από το νότιο Πόλο.

Κοσμικές ακτίνες και διάστημα

Υπάρχουν όμως κι άλλες εξηγήσεις, για την συνεισφορά των κοσμικών ακτίνων.
Πρώτον με τις εκλάμψεις των άστρων, όπως και του δικού μας Ήλιου, οι οποίες δεν τις παράγουν όλες βέβαια, γιατί απαιτούνται τεράστιες ενέργειες. Είναι γνωστό, πως μετά από μεγάλες εκλάμψεις του Ήλιου, παρατηρούνται στη Γη μετά από δύο ημέρες, αυξημένος αριθμός πρωτονίων κυρίως, στις κοσμικές ακτίνες.

Δεύτερον με την μεσοαστρική προέλευση. Είναι γνωστό, πως υπάρχουν ανάμεσα στον μεσοαστρικό χώρο, κινούμενα νέφη ιοντισμένων σωματιδίων με ακανόνιστα μαγνητικά πεδία, που μετά από συγκρούσεις των σωματιδίων των κοσμικών ακτίνων με αυτά τα ιόντα, επιταχύνονται (αυξάνεται λοιπόν η ενέργεια τους). Η εξήγηση αυτή δόθηκε από τον Fermi το 1948.

Τρίτον με την εξωγαλαξιακή προέλευση. Μπορεί η θεωρία των υπερκαινοφανών, να δίνει αρκετή εξήγηση στην προέλευση των κοσμικών ακτίνων αλλά δεν μπορεί να λύσει όλα τα προβλήματα της προέλευσης των κοσμικών ακτίνων. Έτσι υπάρχει η θεωρία πως τα σωματίδια υψηλής ενέργειας πχ 10²⁰ eV, οφείλονται σε πηγές εξωγαλαξιακής προέλευσης.

Τα σωματίδια τέτοιας υψηλής ενέργειας (10²⁰ eV) θέτουν ένα αίνιγμα. Αφ' ενός, είναι πιθανό να προέρχονται από έξω από τον γαλαξία μας, επειδή κανένας γνωστός μηχανισμός επιτάχυνσης δεν μπορεί να τα παραγάγει και επειδή πλησιάζουν από όλες τις κατευθύνσεις, έστω κι αν ένα γαλαξιακό μαγνητικό πεδίο είναι ανεπαρκές να κάμψει την πορεία τους. Αφ' ετέρου, η πηγή τους δεν μπορεί να είναι περισσότερο από περίπου 30 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, επειδή τα σωματίδια ειδάλλως θα έχαναν την ενέργεια τους από την αλληλεπίδραση τους με τα φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου  -- η ακτινοβολία που υπάρχει από τη γέννηση του σύμπαντος στο Big Bang. Στο σχετιστικό κόσμο όπου οι υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες παραμένουν, ακόμη και ένα μοναδικό φωτόνιο χαμηλής ραδιοσυχνότητας, κατέχει αρκετή ορμή, για  να πάρει από ένα σωματίδιο ένα μεγάλο μέρος της ενέργειάς του.

Τέταρτον από τους δίσκους προσαύξησης των μαύρων οπών, και από τους αστέρες νετρονίων που δίνουν μεγάλα ποσά ακτίνων γάμμα.

Το πείραμα Pierre Auger

Λίγα έτη πριν, ο Cronin και ο Alan A. Watson του Πανεπιστημίου του Leeds, είχαν κατευθύνει μια πρωτοβουλία για να συλλεχθεί ένα ακόμα μεγαλύτερο δείγμα των κοσμικών ακτίνων πολύ υψηλής ενέργειας. Αυτό το πρόγραμμα ονομάζεται πρόγραμμα Auger, από τον Pierre Auger, τον Γάλλο επιστήμονα που πρώτος ερεύνησε το φαινόμενο των συσχετισμένων καταιγισμών των σωματιδίων από τις κοσμικές ακτίνες.

Το πρόγραμμα περιλαμβάνει δύο ανεξάρτητα συστήματα. Το πρώτο βασίζεται στην ακτινοβολία Cerenkov που προκαλούν κυρίως μεσόνια στο νερό. Το δεύτερο βασίζεται στην φθορίζουσα ακτινοβολία που παράγεται κατά την αποδιέγερση διεγερμένων ατόμων αζώτου και οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, από τον καταιγισμό ηλεκτρονίων. 

Το σχέδιο για το πρώτο σύστημα, είναι να παραχθεί μια ανιχνεύσιμη περιοχή, 6.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων, που να είναι σε θέση να ανιχνεύσει εκατοντάδες υψηλής ενέργειας γεγονότων ετησίως. Ένας τομέας ανιχνευτών 1600 Cerenkof θα αποτελούνταν από πολλούς σταθμούς σε ένα πλέγμα 1,5-χιλιομέτρου. Ένα και μόνο γεγονός, εισαγωγής κοσμικής ακτίνας, μπορεί να σκανδαλήσει δωδεκάδες στους σταθμούς. Για να καλύψουν ολόκληρο τον ουρανό, δύο τέτοιοι ανιχνευτές προγραμματίζονται, ένα για το Βόρειο (Utah-USA) και ένα για το Νότιο ημισφαίριο (Αργεντινή).
Αναμένεται να ανιχνεύονται περίπου 100 σωματίδια υψηλής ενέργειας το χρόνο.

Το σχέδιο Aυger αναμένεται να λειτουργήσει για 30 χρόνια, ενώ η ολοκληρωμένη του μορφή, θα έχει αρχίσει το 2003.

Σχέδια υπάρχουν για να καλύψουν ακόμα μεγαλύτερες περιοχές. Οι ανιχνευτές στο διάστημα θα μπορούσαν να δουν εκατομμύρια τετραγωνικών χιλιομέτρων της ατμόσφαιρας από τα πάνω, ψάχνοντας τις λάμψεις του φωτός που επισημαίνει το πέρασμα των υπερβολικά υψηλής ενέργειας σωματιδίων. Αυτή η ιδέα, που ονομάζεται OWL (Orbiting Wide-angle Light collectors) στις ΗΠΑ και από την Airwatch στην Ευρώπη, προτάθηκε αρχικά από τον John Linsley του Πανεπιστημίου του New Mexico. Για να πετύχει, το πρόγραμμα απαιτεί να αναπτυχθεί νέα τεχνολογία για τη μεγάλη, ευαίσθητη, λεπτά τετμημένη οπτική στο διάστημα, για να παράσχει την ψηφιακή ανάλυση που απαιτείται. Αυτή η ανάπτυξη είναι εν εξελίξει κάτω από την καθοδήγηση της NASA και στην Ιταλία.

Δεδομένου ότι οι ερευνητές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα του στησίματος και λειτουργίας τέτοιων γιγαντιαίων δικτύων ανιχνευτών, το θεμελιώδες ζήτημα παραμένει: Μπορεί η Φύση να παραγάγει ακόμη πιό ενεργητικά σωματίδια από εκείνα που εμείς έχουμε δει;
Θα μπορούσαν να υπάρξουν ακόμα υψηλώτερες ενεργειακά κοσμικές ακτίνες, ή εμείς ήδη αρχίζουμε να ανιχνεύουμε τα υψηλώτερα ενεργειακά σωματίδια που ο κόσμος μας μπορεί να δημιουργήσει;

Περίεργες θεωρίες

Υπάρχουν όμως θεωρίες που πιστεύουν πως οι κοσμικές ακτίνες δημιουργήθηκαν από την αποσύνθεση των μαγνητικών μονόπολων, των κοσμικών χορδών, τοίχων περιοχών (domain walls) και άλλων τοπολογικών ατελειών των πρώτων φάσεων του Σύμπαντος, αμέσως μετά το Big Bang. Αυτά τα υποθετικά αντικείμενα, πιστεύεται πως υπήρξαν, από τα υπόλοιπα μιας προηγούμενης φάσης, στο Σύμπαν, όταν οι δυνάμεις στη φύση ήταν ενωμένες (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική). Μπορούν να θεωρηθούν, από μία άποψη, ως απειροελάχιστες εστίες που συντηρούν τα κομμάτια του Σύμπαντος, όπως υπήρξε στις πρώτες   στιγμές μετά από την Μεγάλη Έκρηξη.
Αν πράγματι υπάρχουν και καταρρεύσουν, τότε μπορούν να απελευθερώσουν τεράστια ενέργεια ικανή να παράγει κοσμικές ακτίνες μεγάλης ενέργειας.

Ο JAMES W. CRONIN και THOMAS K. GAISSER δουλεύουν στις θεωρητικές ερωτήσεις στο πως οι κοσμικές ακτίνες δημιουργούνται αλλά και στα πρακτικά προβλήματα στην ανακάλυψη και ανάλυση τους.  Ο Cronin, καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο από το 1971, κέρδισε το master και το doctorate στο ίδιο Πανεπιστήμιο το 1953 και 1955 αντίστοιχα. Το 1980 κέρδισε το βραβείο Nobel με τον Val L. Fitch για την εργασία τους στις παραβιάσεις της συμμετρίας στην διάσπαση των μεσονίων.
Ο Gaisser, καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Delaware, έχει συγκεντρωθεί στην ερμηνεία των καταιγισμών των ατμοσφαιρικών κοσμικών ακτίνων. Το 1995 ο Gaisser ξόδεψε δύο μήνες στην Ανταρκτική για να στήσει ανιχνευτές κοσμικών ακτίνων.