Μυστηριώδεις κοσμικές ακτίνες μπορεί να προέρχονται από ένα μέρος όχι και τόσο μακριά
Οι κοσμικές ακτίνες—σωματίδια υψηλής ενέργειας που πέφτουν βροχή στη Γη από το βαθύ διάστημα—είναι κάτι σαν μυστήριο:Από τι αποτελούνται; από που έρχονται; Και πώς αποκτούν τέτοιες τεράστιες ενέργειες—πολύ πάνω από αυτές που επιτυγχάνονται με τους καλύτερους επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο; Τώρα, ένα ραδιοτηλεσκόπιο που σχεδιάστηκε αρχικά για τη μελέτη του πρώιμου σύμπαντος μπορεί να βοηθήσει στην απάντηση σε ορισμένες από αυτές τις ερωτήσεις ή μπορεί απλώς να εμβαθύνει το μυστήριο.
Οι κοσμικές ακτίνες είναι συνήθως πρωτόνια ή ατομικοί πυρήνες στοιχείων όπως το ήλιο, ο άνθρακας ή ο σίδηρος. Οι πιο ενεργητικοί έχουν ενέργειες πάνω από 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από αυτές του πιο ισχυρού θρυμματιστή ατόμων στον κόσμο, του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Οι φυσικοί δεν είναι σίγουροι ποια αστροφυσική διαδικασία θα μπορούσε να επιταχύνει τα σωματίδια σε τέτοιες ενέργειες. Πιθανοί ένοχοι περιλαμβάνουν τα υπολείμματα των σουπερνόβα, τις εκρήξεις που συμβαίνουν όταν τα τεράστια αστέρια τελειώνουν από καύσιμα και πεθαίνουν. και ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, υπερθερμασμένους γαλαξίες με υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα τους που εκτοξεύουν ενέργεια με εκπληκτικούς ρυθμούς.
Ωστόσο, η μελέτη των κοσμικών ακτίνων είναι δύσκολη. Στο ταξίδι τους στο διάστημα εκτρέπονται έτσι κι αλλιώς από μαγνητικά πεδία, καθιστώντας δύσκολο να καταλάβουμε από πού προέρχονται. Τα υψηλής ενέργειας είναι επίσης πολύ σπάνια, και κανένα από αυτά δεν φτάνει πολύ μακριά μόλις φτάσει στην ατμόσφαιρα της Γης. καταστρέφονται αμέσως σε συγκρούσεις με τον αέρα σε μεγάλο υψόμετρο. Για να μελετήσουν τις κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τεράστιες σειρές ανιχνευτών σωματιδίων στο έδαφος για να πάρουν το «ντους αέρα» των συντριμμιών που δημιουργούνται από τις συγκρούσεις σε μεγάλο υψόμετρο ή τα τηλεσκόπια για να εντοπίσουν τη λάμψη του φωτός που προκαλείται από τα σωματίδια συντριμμιών καθώς επιβραδύνουν κάτω στην ατμόσφαιρα.
Τώρα όμως υπάρχει ένας νέος τρόπος ανίχνευσης κοσμικών ακτίνων. Μια ομάδα χρησιμοποίησε μια συλλογή ραδιοτηλεσκοπίων γνωστή ως Συστοιχία Χαμηλής Συχνότητας (LOFAR), η οποία βρίσκεται στο κέντρο της Ολλανδίας, αλλά έχει φυλάκια σε πολλές άλλες χώρες της Βόρειας Ευρώπης. Το LOFAR δεν έχει μεγάλα κατευθυνόμενα πιάτα όπως άλλα ραδιοτηλεσκόπια, αλλά αποτελείται από πολλές χιλιάδες απλές συρμάτινες κεραίες που πονταρίζονται στο έδαφος σε δεκάδες «σταθμούς». Οι κεραίες ουσιαστικά συλλέγουν ό,τι προέρχεται από το διάστημα και, στη συνέχεια, εναπόκειται σε ένα υπερταχύ σύμπλεγμα επεξεργαστών να κοιτάξει τα δεδομένα και να επικεντρωθεί σε ένα συγκεκριμένο φαινόμενο ή μέρος του ουρανού.
Ο κύριος στόχος του LOFAR είναι να μελετήσει την εποχή στο πρώιμο σύμπαν όταν σχηματίζονταν τα πρώτα αστέρια και γαλαξίες και ιονίζονταν όλο το διαστρικό αέριο γύρω τους. Αλλά η ομάδα των κοσμικών ακτίνων είναι σε θέση να κάνει λάθη σε κανονικές αστρονομικές παρατηρήσεις στην αναζήτησή της για ντους αέρα. Καθώς τα σωματίδια των συντριμμιών από τη σύγκρουση της κοσμικής ακτίνας διαπερνούν την ατμόσφαιρα, οι αλληλεπιδράσεις τους μεταξύ τους και το μαγνητικό πεδίο της Γης παράγουν ένα ραδιοσήμα που είναι ανιχνεύσιμο από τις κεραίες του LOFAR. Η ομάδα δεν μπορεί να ψάξει όλα τα δεδομένα 24/7, απλά είναι πάρα πολλά. Έτσι, οι ερευνητές εγκατέστησαν ανιχνευτές σωματιδίων στο έδαφος που μπορούν να ειδοποιήσουν το σύστημα ότι μόλις έγινε ένα ντους αέρα. Όταν ένας ανιχνευτής σωματιδίων ενεργοποιεί τον συναγερμό, το σύστημα κοσμικών ακτίνων της LOFAR συλλαμβάνει τα προηγούμενα 5 δευτερόλεπτα δεδομένων που βρίσκονται στην προσωρινή μνήμη του συστήματος, γνωρίζοντας ότι το σήμα από ένα ντους αέρα βρίσκεται κάπου μέσα σε αυτό.
Η ομάδα είχε σχεδιάσει νωρίτερα πώς θα έμοιαζαν αυτά τα ραδιοφωνικά σήματα και όταν άρχισαν να παρατηρούν με το LOFAR, πέτυχαν χρυσό πολύ γρήγορα. "Οι μισές από όλες τις παρατηρήσεις συμφωνούσαν απόλυτα [με τα μοντέλα]. Ταίριαζαν τέλεια, κάτι που είναι μια σπάνια εμπειρία στην πειραματική φυσική", λέει το μέλος της ομάδας Heino Falcke, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Radboud στο Nijmegen, στην Ολλανδία. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν πόσο μακριά στην ατμόσφαιρα πήγε ο καταρράκτης των σωματιδίων πριν φτάσει στο μέγιστο μέγεθός του. Αυτό το βάθος θα μπορούσε να τους πει τι είδους σωματίδιο ήταν η αρχική κοσμική ακτίνα—πρωτόνιο, πυρήνας ηλίου ή κάτι βαρύτερο.
Όπως αναφέρουν σήμερα οι επιστήμονες στο Nature , περίπου το 80% των περισσότερων από 120 γεγονότων που αναλύθηκαν αποδείχθηκε ότι ήταν φωτεινές κοσμικές ακτίνες—πρωτόνια ή πυρήνες ηλίου. Αυτό δεν είναι εντελώς απροσδόκητο. Η ομάδα LOFAR διερεύνησε σωματίδια με εύρος ενεργειών μεταξύ 10 και 10 ηλεκτρονιοβολτ (eV). "A terra incognita", λέει ο Falcke, το οποίο είναι δύσκολο να επιτευχθεί με άλλες τεχνικές. «Τα δεδομένα σύνθεσης είναι πολύ αραιά». Αυτό το εύρος καταλαμβάνει μια μέση λύση μεταξύ των κοσμικών ακτίνων χαμηλότερης ενέργειας που αναμένονται από πηγές στον γαλαξία μας και των κοσμικών ακτίνων υψηλότερης ενέργειας από πολύ πιο μακρινούς γαλαξίες. Η τρέχουσα θεωρία προτείνει ότι οι κοσμικές ακτίνες με την υψηλότερη ενέργεια είναι κυρίως πρωτόνια και όχι βαρύτεροι πυρήνες. Αλλά οι ερευνητές λένε ότι δεν θα περιμένατε τόσο μεγάλο κλάσμα όσο 80% σε ενέργειες κάτω από 10 eV.
Επίσης, λέει ο Falcke, υπάρχουν υπαινιγμοί στην κατανομή των σωματιδίων σε όλο το φάσμα της ενέργειας που μελέτησαν, ότι μερικές από αυτές τις φωτεινές κοσμικές ακτίνες μπορεί να προέρχονται από πηγές στον γαλαξία μας. Αυτό θα ήταν εκπληκτικό γιατί δεν πιστεύεται ότι οι τοπικοί επιταχυντές, όπως τα υπολείμματα σουπερνόβα, μπορούν να επιτύχουν ενέργειες για πρωτόνια υψηλότερα από 10 eV. Ο Falcke αναγνωρίζει ότι αυτή η ερμηνεία "παραμένει εικαστική. Είναι ένα πρώτο βήμα", λέει. Αν αντέχει, ωστόσο, απλώς εμβαθύνει το μυστήριο των κοσμικών ακτίνων, γιατί υπονοεί ότι υπάρχει κάποιο αντικείμενο ή μηχανισμός μέσα στον γαλαξία μας—ακόμη άγνωστο—που μπορεί να αυξήσει τα σωματίδια σε αυτές τις υπερφορτισμένες ταχύτητες.
Αλλά ένα τέτοιο συμπέρασμα θα ήταν «προκλητικό» για τις τρέχουσες αστροφυσικές εξηγήσεις, λέει ο Andrew Taylor, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών του Δουβλίνου. Πιστεύει ότι δεν υπάρχουν ακόμη στοιχεία ότι προέρχονται από μια πηγή στον γαλαξία μας και όχι από μια εξωγαλαξιακή πηγή. «Είναι πολύ νωρίς για να κάνουμε οριστικές δηλώσεις», λέει, αλλά «και τα δύο θα ήταν ενδιαφέροντα».
Ο Taylor πιστεύει ότι η νέα τεχνική υπόσχεται πολλά για το μέλλον, λόγω της ικανότητάς της να αναγνωρίζει τύπους σωματιδίων και του γεγονότος ότι μπορεί να λειτουργεί μέρα ή νύχτα σε οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες (οπτικές τεχνικές παρατήρησης ντους αέρα λειτουργούν μόνο σε καθαρές νύχτες χωρίς φεγγάρι). «Το ραδιόφωνο μπορεί να συγκεντρώσει δεδομένα πολύ πιο γρήγορα», λέει. "Θα προσφέρει ένα εντελώς νέο σύνολο ευκαιριών για εξερεύνηση."
