Τι είναι οι κοσμικές ακτίνες;

Συχνές ερωτήσεις, Μάρτιος 2005

Οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες (GCR) είναι σωματίδια υψηλής ενέργειας που ρέουν στο ηλιακό σύστημά μας από μακρινές πηγές στο Γαλαξία. Οι GCR είναι συνήθως υποατομικά σωματίδια: πρωτόνια, ηλεκτρόνια, και ατομικοί πυρήνες που έχασαν όλα τα περιβάλλοντα ηλεκτρόνια τους κατά τη διάρκεια της μεγάλης (σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός) διαδρομής τους μέσω του Γαλαξία. Οι κοσμικές ακτίνες είναι από τα λίγα άμεσα δείγματα της ύλης που βρίσκεται έξω από το ηλιακό σύστημα. Όμως τα μαγνητικά πεδία του Γαλαξία, του ηλιακού συστήματος, και της Γης διαταράσσουν τις πορείες αυτών των σωματιδίων τόσο πολύ, που δεν μπορούμε πλέον να ξέρουμε τις πηγές τους στο Γαλαξία. Εάν κάνουμε μια χαρτογράφηση του ουρανού με τις εντάσεις των κοσμικών ακτίνων, θα δούμε ότι προέρχονται από όλα τα σημεία του ουρανού. Έτσι πρέπει να βρούμε από που προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες με έμμεσα μέσα.

Μια από τις έμμεσες παρατηρήσεις που μπορούμε να κάνουμε, είναι η "σύνθεση" των GCR, που μπορεί να μας πληροφορήσει τόσο για τις πηγές όσο και για το ταξίδι των κοσμικών ακτίνων μέσω του Γαλαξία. Η "σύνθεση" των κοσμικών ακτίνων είναι ο τρόπος με τον οποίο οι κοσμικές ακτίνες διαιρούνται σε κάθε έναν από τους διαφορετικούς τύπους, ποιο τμήμα είναι πρωτόνια, ποιο μέρος είναι πυρήνες ηλίου, κ.λπ. Όλα τα φυσικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα υπάρχουν στις κοσμικές ακτίνες, κατά προσέγγιση με την ίδια αναλογία όπως εμφανίζονται στο ηλιακό σύστημα. Αλλά λεπτομερείς διαφορές δίνουν ένα "δακτυλικό αποτύπωμα" της πηγής των κοσμικών ακτίνων. Η μέτρηση της ποσότητας κάθε διαφορετικού στοιχείου είναι σχετικά εύκολη, δεδομένου ότι το διαφορετικό φορτίο κάθε πυρήνα δίνει πολύ διαφορετικές υπογραφές. Πιο δύσκολη στη μέτρηση, αλλά παρουσιάζει μια καλύτερη υπογραφή, είναι η ισοτοπική σύνθεση (πυρήνες του ίδιου στοιχείου αλλά με διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων).

Περίπου το 90% των πυρήνων των κοσμικών ακτίνων είναι υδρογόνο (πρωτόνια), περίπου το 9% είναι ήλιο (σωματίδια άλφα), και όλο το υπόλοιπο στοιχεία αποτελούν μόνο το 1%, Ακόμη και σε αυτό το 1% υπάρχουν πολύ σπάνια στοιχεία και ισότοπα. Αυτά χρειάζονται μεγάλους ανιχνευτές που μπορούν να συλλέξουν αρκετά σωματίδια για να μας πληροφορήσουν για το "δακτυλικό αποτύπωμα" της πηγής τους. Το Πείραμα Βαρέων Πυρήνων ή HEAO, που πέταξε το 1979, συνέλεξε περίπου 100 κοσμικές ακτίνες μόνο μεταξύ του στοιχείου 75 και του στοιχείου 87 (η ομάδα που περιλαμβάνει το λευκόχρυσο, υδράργυρο και μόλυβδο), σχεδόν σε ενάμιση χρόνο πτήσης, και ήταν πολύ μεγαλύτερο από τα περισσότερα επιστημονικά όργανα που έχουν πετάξει από τη NASA μέχρι σήμερα. Για να γίνουν καλύτερες μετρήσεις απαιτείται ένα ακόμα μεγαλύτερο όργανο, και όσο μεγαλύτερο είναι το όργανο, τόσο μεγαλύτερο και το κόστος.

Από πού προέρχονται;

Οι περισσότερες γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες επιταχύνονται πιθανώς στις βίαιες εκρήξεις των υπολειμμάτων των σουπερνοβών. Αυτό δεν σημαίνει ότι η ίδια η έκρηξη των σουπερνοβών επιταχύνει τα σωματίδια μέχρι αυτές τις ταχύτητες. Τα υπολείμματα των εκρήξεων, διαστελλόμενα νέφη αερίου και μαγνητικού πεδίου, μπορούν να κρατήσουν χιλιάδες χρόνια, και αυτή είναι η αιτία που επιταχύνονται οι κοσμικές ακτίνες. Ταλαντούμενα μέσα στο μαγνητικό πεδίο του υπολείμματος τυχαία κάποια σωματίδια κερδίζουν ενέργεια και γίνονται κοσμικές ακτίνες. Τελικά αυτά αποκτούν τόσο μεγάλη ταχύτητα που το υπόλειμμα δεν μπορεί πλέον να τα κρατήσει, και δραπετεύουν στο Γαλαξία.

Επειδή οι κοσμικές ακτίνες τελικά δραπετεύουν από τα υπολείμματα των σουπερνοβών, μπορούν να επιταχυνθούν μόνο μέχρι μια ορισμένη μέγιστη ενέργεια, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος της περιοχής επιτάχυνσης και της ισχύος των μαγνητικών πεδίων.

Εντούτοις, οι κοσμικές ακτίνες έχουν παρατηρηθεί σε πολύ υψηλότερες ενέργειες από όσο μπορούν να παράγουν τα υπολείμματα των υπερκαινοφανών, και υπάρχει ένα μεγάλο ζήτημα για την προέλευση αυτών των εξαιρετικά υψηλής ενέργειες ακτίνων. Ίσως προέρχονται έξω από το Γαλαξία, από τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, τα κβάζαρ ή τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Ή ίσως είναι η υπογραφή κάποιας εξωτικής νέας φυσικής: υπερχορδές, εξωτική σκοτεινή ύλη, νετρίνα που αλληλεπιδρούν πολύ έντονα, ή τοπολογικές ατέλειες στην ίδια την δομή του σύμπαντος. Ερωτήσεις όπως αυτές συνδέουν την αστροφυσική των κοσμικών ακτίνων με τη βασική σωματιδιακή φυσική και τη θεμελιώδη φύση του σύμπαντος.