Επιτέλους λύθηκε το μυστήριο των κοσμικών ακτίνων

Πηγή: PhysicsWorld, 8 Νοεμβρίου 2007

Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων που χρησιμοποιούν το Παρατηρητήριο Pierre Auger βρήκε τις καλύτερες μέχρι τώρα αποδείξεις ότι, οι κοσμικές ακτίνες με υπερβολική υψηλή ενέργεια που χτυπούν τη Γη, προέρχονται από τις μαύρες τρύπες που αποτελούν τον πυρήνα των κοντινών γαλαξιών. Χρησιμοποιώντας χιλιάδες ανιχνευτές σε μια έκταση πάνω από 3000 τετραγωνικά χιλιόμετρα στην Αργεντινή, η ομάδα αυτή έχει κατορθώσει να προσδιορίσει 27 τέτοιες κοσμικές ακτίνες -- με ενέργειες πάνω από 10¹⁹ eV -- καθώς έρχονται από αυτούς τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Έτσι λύθηκε το μυστήριο από που προέρχονται αυτές οι κοσμικές ακτίνες, και τώρα οι ερευνητές ελπίζουν να κατανοήσουν καλύτερα πώς αυτά τα φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται σε τέτοιες υψηλές ενέργειες (Science 318 938).

Για πρώτη φορά οι κοσμικές ακτίνες με υπερβολική υψηλή ενέργεια (UHECR) ανακαλύφθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '60, και είναι τα πιο ενεργητικά φορτισμένα σωματίδια στον κόσμο. Είναι επίσης υπερβολικά σπάνια - το Παρατηρητήριο Pierre Auger έχει ανιχνεύσει περίπου 27 σωματίδια μόνο με ενέργειες επάνω από 5,7 * 10¹⁹ eV δεδομένου ότι άρχισε να παίρνει στοιχεία το 2004.

Επειδή οι κοσμικές αυτές ακτίνες έχουν τέτοιες υψηλές ενέργειες, τα UHECR είναι πιθανό να παράγονται σε εξαιρετικά βίαια αστροφυσικά γεγονότα. Οι καλύτεροι υποψήφιοι χώροι είναι οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες (AGN), οι οποίοι θεωρούνται πως έχουν κολοσσιαίες μαύρες τρύπες στο κέντρο τους. Τέτοιες μαύρες τρύπες έλκουν τεράστιες ποσότητες ύλης, το οποίο διαμορφώνει ένα εξαιρετικά καυτό πλάσμα προτού εξαφανιστεί μέσα στην άβυσσο. Πιστεύεται ότι οι μαγνητικές αστάθειες αυτού του πλάσματος παράγουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα κλονισμού, που μπορούν να ταξιδεύουν κάποια απόσταση μακριά από τη μαύρη τρύπα, κι έχουν έτσι τη δυνατότητα να επιταχύνουν πρωτόνια ή ένα βαρύ πυρήνα με υπερβολικά υψηλή ενέργεια. Εντούτοις, η ακριβής φύση της διαδικασίας της επιτάχυνσης δεν γίνεται κατανοητή.

Τέτοια κύματα κλονισμού θα μπορούσαν επίσης να παραχθούν με διαταραχές στο διαγαλαξιακό διάστημα, από "απολιθωμένες" (ή αόρατες) μαύρες τρύπες ή από σουπερνόβες. Εντούτοις, οι UHECR χάνουν την ενέργεια τους πολύ εύκολα επειδή αυτές σκεδάζονται από το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων, που σημαίνει ότι δεν ταξιδεύουν πολύ μακριά μέσα στο διάστημα. Αυτή η γρήγορη πτώση του αριθμού τέτοιων κοσμικών ακτίνων πάνω από μια ορισμένη ενέργεια -- γνωστό σαν φαινόμενο Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) -- σημαίνει ότι οι UHECR είναι πιο πιθανό να προέρχονται από κοντινές πηγές, όπως είναι οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες AGN σχετικά κοντά στη γη. Πράγματι, ο Venya Berezinsky του Εθνικού Εργαστηρίου Gran Sasso στην Ιταλία είπε ότι οι UHECR με ενέργειες πάνω από 6*10¹⁹ eV δεν μπορούν να ταξιδέψουν πάνω από περίπου 100 Mpc - ή περίπου 300 εκατομμύρια έτη φωτός.

Νέα ανακάλυψη

Τώρα, εντούτοις, μια ομάδα ερευνητών που έχει χρησιμοποιήσει το παρατηρητήριο Pierre Auger στην Αργεντινή βρήκε τις πρώτες αποδείξεις ότι οι κοσμικές ακτίνες UHECR πράγματι προέρχονται από κοντινούς πυρήνες γαλαξιών AGN. Το παρατηρητήριο Auger ανιχνεύει τις κοσμικές ακτίνες παρατηρώντας ένα καταιγισμό σωματιδίων, που παράγονται όταν αλληλεπιδρούν οι κοσμικές ακτίνες με τα σωματίδια του αέρα.

Το παρατηρητήριο αποτελείται από μια σειρά 1600 δεξαμενών με νερό που ανιχνεύουν την γαλάζια ακτινοβολία Cerenkov που παράγεται από τα σωματίδια του καταιγισμού. Ο ουρανός πάνω από τις δεξαμενές, που απέχουν μεταξύ τους 1,5 χλμ, ελέγχεται από τέσσερις ατμοσφαιρικούς ανιχνευτές φθορισμού που μπορούν να ακολουθήσουν τον καταιγισμό των σωματιδίων, καθώς αυτά διέρχονται από την ατμόσφαιρα στις σκοτεινές νύχτες.

Όταν οι επιστήμονες πήραν στοιχεία για πάνω από 3,5 χρόνια, το παρατηρητήριο ανίχνευσε 27 κοσμικές ακτίνες με ενέργειες μεγαλύτερες από περίπου 5.7 * 10¹⁹ eV. Είκοσι από αυτές θα μπορούσαν να επισημανθούν σε μια περιοχή 3,1 μοίρες κοντά στην AGNs και 75 Mpc από τη γη. Σύμφωνα με την ομάδα, είναι ιδιαίτερα απίθανο ότι οι 20 κοσμικές ακτίνες UHECR, που προέρχονται από τυχαίες κατευθύνσεις, θα εμφανίζονταν να προέρχονται όλες από γνωστούς ενεργούς πυρήνες γαλαξιών AGN.

Ενεργειακό φάσμα

Ο εκπρόσωπος Alan Watson του Auger λέει ότι η ομάδα αυτή έχει επισημάνει πέντε "ζευγάρια" κοσμικών ακτίνων που το κάθε ένα εμφανίζεται να προέρχεται από το ίδιο AGN. Ελπίζει ότι με την ανίχνευση αρκετών UHECR από την ίδια πηγή, οι φυσικοί θα είναι σε θέση να φτιάξουν ένα ενεργειακό φάσμα που θα μπορούσε να εξηγήσει ακριβώς πώς παράγονται οι κοσμικές ακτίνες. "Δεδομένου ότι συλλέγουμε όλο και περισσότερα στοιχεία, μπορούμε να εξετάσουμε μεμονωμένους γαλαξίες με έναν λεπτομερή και απολύτως νέο τρόπο" λέει. "Όπως πιστεύαμε  το παρατηρητήριό μας παράγει μια νέα εικόνα του Κόσμου βασισμένου στις κοσμικές ακτίνες αντί του φωτός."

Η δυσκολία έγκειται ότι οποιοδήποτε αξιοπρεπές φάσμα θα απαιτούσε την ανίχνευση εκατοντάδων κοσμικών ακτίνων από τον ίδιο AGN, κάτι που θα χρειαζόταν εκατοντάδες χρόνια παρατηρήσεων με το Auger. Οι αστροφυσικοί προγραμματίζουν να φτιάξουν ένα δεύτερο παρατηρητήριο,  που λέγεται Auger North, στο Κολοράντο. Αν και το Auger North προορίζεται να είναι 3,5 φορές μεγαλύτερο από το νότιο Auger, ο Watson ελπίζει ότι τα θετικά αποτελέσματα της ομάδας θα οδηγήσουν σε μια απόφαση να φτιαχτεί το Auger North όντας 10 φορές μεγαλύτερο από το παλιό νότιο Auger - κάτι που όπως λέει είναι δυνατό σε γενικές γραμμές, αλλά θα μπορούσε να είναι πολύ δύσκολο και ακριβό να φτιαχτεί και να διατηρηθεί.

Και όπως τονίζει ο Watson αν μάθουμε την ακριβή πηγή των UHECR θα μπορούν τότε οι αστροφυσικοί να κατανοήσουν καλύτερα τα μαγνητικά πεδία του Γαλαξία μας. Κι αυτό επειδή τα φορτισμένα σωματίδια εκτρέπονται ελαφρώς από τα μαγνητικά πεδία, τα οποία θα μπορούσαν να μελετηθούν ως μια παράμετρος της ενέργειας και της προέλευσης ενός σωματιδίου. Επιπλέον, με τη μελέτη των συγκρούσεων μεταξύ των κοσμικών ακτίνων UHECR και των πυρήνων στην ατμόσφαιρα, οι φυσικοί θα μπορούσαν να μελετήσουν την ύλη σε πολύ πιο υψηλές ενέργειες από οποιοδήποτε σημερινό ή προγραμματισμένο επιταχυντή σωματιδίων. Για παράδειγμα ο Μεγάλος Συγκρουστής  Αδρονίων στο CERN θα επιταχύνει τα πρωτόνια σε ενέργειες μόνο 7 TeV (7 * 10¹² eV).

Οι κοσμικές ακτίνες είναι συνήθως πρωτόνια, ενώ φθάνουν πολύ σπάνια στη Γη, μία φορά σε κάθε τετραγωνικό χιλιόμετρο κάθε αιώνα. ''Οταν φθάνουν στην ατμόσφαιρα της Γης, συγκρούονται με άλλα σωματίδια, δημιουργώντας έτσι νέα ενεργειακά σωματίδια.

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

Το πάνω τμήμα παρουσιάζει το Γαλαξία στις υπέρυθρες ακτίνες. 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 δορυφόρου 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. Μπορεί να φανεί δε ότι οι περισσότερες από τις νέες πηγές ακτίνων-γ πολύ υψηλής ενέργειας συγκεντρώνονται κατά μήκος του γαλαξιακού επιπέδου.