Κοσμικές ακτίνες εισέρχονται στην 'σκοτεινή' εποχή

Πηγή: NewScientist, PhysicsWeb, 24 Μαρτίου 2005

Οκτώ νέες πηγές ακτίνων γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας έχουν βρεθεί στο κέντρο του Γαλαξία μας, συμπεριλαμβανομένων και δύο "σκοτεινών" πηγών που δεν είχαν φανεί ποτέ πριν σε άλλα μήκη κύματος. Η ανακάλυψη έγινε από μια διεθνή ομάδα αστροφυσικών που χρησιμοποίησαν τη διάταξη των τηλεσκοπίων High Energy Stereoscopic System (HESS) στη Ναμίμπια στην Αφρική για να πραγματοποιήσουν την πιο ευαίσθητη έρευνα που έγινε ποτέ για το Γαλαξία σε αυτά τα βραχέα μήκη κύματος. Με την ανακάλυψη αυτή διπλασιάστηκε ο αριθμός αυτών των πηγών που γνωρίζουμε. Τα αποτελέσματα αυτά θα μπορούσαν να βοηθήσουν ώστε να πέσει περισσότερο φως πάνω στην προέλευση των κοσμικών ακτίνων στο σύμπαν.

Οι κοσμικές ακτίνες είναι σωματίδια υψηλής ενέργειας από το εξωτερικό διάστημα που βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη. Αν και ανιχνεύθηκαν αρχικά το 1912, οι αστροφυσικοί ακόμα δεν ξέρουν από που προέρχονται οι πιο ενεργητικές κοσμικές ακτίνες (VHE) ή πώς επιταχύνονται σε τέτοιες υψηλές ενέργειες. Εντούτοις, πιθανώς συνδέονται η επιτάχυνση των κοσμικών ακτίνων και η παραγωγή πολύ υψηλής ενέργειας ακτίνων-γ.

Οι ακτίνες γάμμα μας έρχονται σε μια περιοχή ορισμένων ενεργειών. Στις μεν χαμηλότερες ενέργειες, μερικές παράγονται από το υπέρθερμο αέριο που πέφτει στις μαύρες τρύπες, ενώ οι ακτίνες γάμμα με "πολύ υψηλή ενέργεια" (VHE) θεωρούνται ότι ότι προκύπτουν στα διαστελλόμενα κελύφη του αερίου γύρω από τις σουπερνόβες και τα πολύ γρήγορα περιστρεφόμενα άστρα νετρονίων ή πάλσαρ. Τα μαγνητικά πεδία στα μέτωπα κλονισμού που οριοθετούν αυτά τα κελύφη επιταχύνουν έντονα τα φορτισμένα σωματίδια, αναγκάζοντας τα να εκπέμψουν τις VHE ακτίνες γάμμα. Οι ενέργειες αυτών των ακτίνων γάμμα μπορεί να φθάσουν τα 10¹¹ eV ή και περισσότερο ακόμα.

Επίσης, παράγονται στα κβάζαρ και εκεί όπου δημιουργούνται τα τεράστια άστρα. Πάντως, αυτές οι ακτίνες είναι αρκετά σπάνιες και χτυπούν τη γήινη ατμόσφαιρα περίπου μια φορά το μήνα ανά τετραγωνικό μέτρο.

Μέχρι τώρα, οι αστρονόμοι είχαν επιβεβαιώσει περίπου 10 τέτοιες πηγές στον Γαλαξία - κυρίως σκοπεύοντας με τα τηλεσκόπια προς γνωστά αντικείμενα, που φαίνονταν σαν πιθανές πηγές ακτίνων-γ. 

Η διάταξη HESS μετρά την ακτινοβολία Cerenkov -- σύντομες λάμψεις γαλάζιου φωτός ή υπεριώδους ακτινοβολίας -- που παράγεται όταν απορροφούνται οι ακτίνες γάμμα στον αέρα. Αυτό το φως συλλέγεται από τα τέσσερα τηλεσκόπια της διάταξης HESS και έπειτα χρησιμοποιείται για να αναδημιουργήσει τις εικόνες των αστρονομικών αντικειμένων, όπως εμφανίζονται στις ακτίνες γάμμα.

Σκοτεινοί επιταχυντές

Τα τέσσερα τηλεσκόπια HESS ανακάλυψαν οκτώ νέες πηγές στον εσωτερικό δίσκο του Γαλαξία μας (διαμέτρου 30.000 ετών φωτός). Όλες τους παρουσιάζουν κατ' ασυνήθιστο τρόπο υψηλό αριθμό πολύ ενεργητικών ακτίνων γάμμα και εμφανίζονται να έχουν πλάτος μερικές δεκάδες ετών φωτός - το μέγεθος αυτό ταιριάζει με το πλάτος του εναπομείναντος τμήματος μιας σουπερνόβα. Τρεις πηγές συνδέονται πραγματικά με τα κοντινά κατάλοιπα σουπερνοβών, ενώ άλλες τρεις εμφανίζονται κοντά σε πάλσαρ.

Αλλά δύο από τις πηγές δεν συνδέονται με κανέναν τύπο αντικειμένου. Και επιπλέον, δεν φαίνονται να εκπέμπουν είτε ακτίνες X είτε ραδιοκύματα, οι οποίες παράγονται όταν επιταχύνονται τα ηλεκτρόνια σε υψηλές ταχύτητες.

Αυτό δείχνει ότι αυτές οι πηγές θα μπορούσαν να είναι νέα "σκοτεινά" αντικείμενα - μια νέα κατηγορία "σκοτεινών" κοσμικών επιταχυντών - που μπορούν - για κάποιο άγνωστο λόγο - να επιταχύνουν μόνο τα πρωτόνια ή πυρήνες υδρογόνου κι όχι ηλεκτρόνια όπως στις συμβατικότερες πηγές, αναφέρει η ομάδα. Τα πρωτόνια αποτελούν τη μεγάλη πλειονότητα των κοσμικών ακτίνων που φθάνουν στη Γη από το εσωτερικό του Γαλαξία μας αλλά οι αστρονόμοι δεν ξέρουν τι τις ωθεί στις υψηλές ενέργειές τους.

"Μπορούμε να έχουμε μια νύξη προς την επίλυση αυτού του γρίφου των κοσμικών ακτίνων - θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνοι αυτοί οι 'σκοτεινοί' επιταχυντές," λέει το μέλος της επιστημονικής Stefan Funk, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Max Planck για την Πυρηνική Φυσική στη Χαϊδελβέργη.

"Έχουμε προσθέσει ένα νέο τμήμα στην εικόνα του Γαλαξία,  που παρουσιάζεται σε πολλά μήκη κύματος", αναφέρει ο Funk. "Αυτές οι πληροφορίες από μια νέα περιοχή μήκους κύματος πρέπει να ξεκινήσουν έρευνα και σε άλλες περιοχές του φάσματος, όπως των ακτίνων X και των ραδιοκυμάτων για να καταλάβουμε καλύτερα πως δουλεύουν οι διαδικασίες αυτές στις νέες πηγές."

Ο Trevor Weekes, ένας αστρονόμος στο Κέντρο για την Αστροφυσική του Χάρβαρντ συμφωνεί. "Για πολλά χρόνια η σιωπηρή υπόθεση - χωρίς πολλά παρατηρητικά στοιχεία - ήταν ότι οι κοσμικές ακτίνες δημιουργούνται στα κύματα κλονισμού στα κατάλοιπα των σουπερνοβών", λέει. "Αυτές όμως οι νέες πηγές μπορούν να δείξουν ότι η προέλευση των κοσμικών ακτίνων είναι πολύ πιο σύνθετη και μπορούν να περιλαμβάνουν κάποια συναρπαστική νέα αστροφυσική."

Η ομάδα που συνεργάζεται με την διάταξη HESS προγραμματίζει τώρα να ερευνήσει κι άλλα μέρη του γαλαξία.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Science.

Το "γαλαξιακό επίπεδο" όπως φαίνεται στα διαφορετικά μήκη κύματος στο κέντρο του Γαλαξία μας.

Το πάνω τμήμα παρουσιάζει το Γαλαξία στις υπέρυθρες ακτίνες όπως καταγράφονται από το δορυφόρο IRAS. Το γαλαξιακό επίπεδο φαίνεται καθαρά ως μια πλατιά λωρίδα που βρίσκεται στο μέσον της εικόνας. Αυτή η υπέρυθρη εκπομπή οφείλεται συνήθως στην διαστρική σκόνη που θερμαίνεται από την απορροφημένη ακτινοβολία των άστρων.

Στο μεσαίο τμήμα είναι η οπτική εικόνα του κεντρικού μέρους του Γαλαξία μας, όπως φαίνεται με γυμνό μάτι τη νύχτα. Το μεγαλύτερο μέρος του κεντρικού μέρους του Γαλαξία κρύβεται από την προαναφερθείσα διαστρική σκόνη. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της αστρικής ακτινοβολίας εκπέμπεται από τα αστέρια που είναι κοντά στο ηλιακό μας σύστημα

Το κάτω τμήμα παρουσιάζει μια νέα όψη του Γαλαξία, όπως φάνηκε με τη βοήθεια του HESS, στις πολύ υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα. Μπορούν να φανούν καθαρά οι μεμονωμένες πηγές αυτής της ακτινοβολίας. Η μεγάλη φωτεινή πηγή στο κέντρο του τμήματος αυτού είναι ό,τι απέμεινε από τη σουπερνόβα RX J1713.7-3946, που αναφέρθηκε πρόσφατα από την ομάδα HESS. Μπορεί να φανεί ότι οι περισσότερες από τις νέες πηγές ακτίνων-γ πολύ υψηλής ενέργειας συγκεντρώνονται κατά μήκος του γαλαξιακού επιπέδου.