Κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας είναι αγγελιοφόροι από το υπερπέραν

Πηγή: ScienceDaily, 25 Μαρτίου 2008

Τελικά αποτελέσματα από το παρατηρητήριο των κοσμικών ακτίνων Fly Eye (ή HiRes) στο πανεπιστήμιο της Utah,  δείχνουν ότι τα πιο ενεργητικά σωματίδια στον Κόσμο φθάνουν σπάνια στη γη με την αρχική τους ενέργεια, επειδή προέρχονται από μεγάλες αποστάσεις κι έτσι τα περισσότερα από αυτά συγκρούονται με τη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (, κατάλοιπο από τη γέννηση του Κόσμου) και χάνουν μέρος της ενέργειας τους.

Τα συμπεράσματα αυτά βασίζονται σε παρατηρήσεις εννέα χρόνων στο παρατηρητήριο Army Dugway Proving Ground του αμερικανικού στρατού. Επιβεβαιώνουν μια 42-χρονη πρόβλεψη -- γνωστή ως όριο ή αποκοπή Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) -- για τη συμπεριφορά των κοσμικών ακτίνων με υπερβολικά υψηλή ενέργεια, οι οποίες φέρουν περισσότερη ενέργεια από οποιοδήποτε άλλο γνωστό σωματίδιο.

Η ιδέα είναι ότι τα περισσότερα -- αλλά όχι όλα -- σωματίδια κοσμικών ακτίνων με ενέργειες πάνω από το όριο GZK δεν μπορούν να φθάσουν στη Γη, επειδή χάνουν την ενέργεια τους όταν συγκρούονται με τη μικροκυματική κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, που ανακαλύφθηκε το 1965 και είναι η "μεταλαμπή" της Μεγάλης Έκρηξης που δημιούργησε τον Κόσμο πριν 13 δισεκατομμύρια χρόνια.

Η ύπαρξη του ορίου GZK προβλέφθηκε αρχικά από τον Kenneth Greisen του πανεπιστημίου του Cornell,  και ανεξάρτητα από τους Georgiy Zatsepin και Vadim Kuzmin από το Ίδρυμα Φυσικής Lebedev  της Μόσχας.

"Στόχος της φυσικής των κοσμικών ακτίνων με υπερβολικά υψηλή ενέργεια για τα προηγούμενα 40 χρόνια ήταν να βρουν αυτή την αποκοπή (το όριο) ή να το ανασκευάσουν," λέει ο καθηγητής της φυσικής Pierre Sokolsky, του πανεπιστημίου της Utah και επικεφαλής της εργασίας 60 επιστημόνων από επτά ερευνητικά ιδρύματα. "Για πρώτη φορά μετά από 40 χρόνια, η ερώτηση αυτή απαντιέται: Ναι υπάρχει ένα ανώτερο όριο στην ενέργεια της κοσμικής ακτινοβολίας."

Αυτό το συμπέρασμα, βασισμένο σε παρατηρήσεις από το 1997 έως το 2006, στο παρατηρητήριο κοσμικών ακτίνων υψηλής ανάλυσης Fly Eye στη δυτική έρημο του Utah, έχει υποστηριχτεί και από το παρατηρητήριο κοσμικών ακτίνων Auger στην Αργεντινή. Κατά τη διάρκεια μιας διάσκεψης φυσικών για τις κοσμικές ακτίνες το περασμένο καλοκαίρι, οι φυσικοί του Auger ανέφεραν ότι ο αριθμός των κοσμικών ακτίνων υπερβολικά υψηλής ενέργειας που φθάνουν στη Γη μειώνεται αισθητά πάνω από το όριο.

Έτσι και τα δύο συμπεράσματα έρχονται σε αντίθεση με τα συμπεράσματα του πειράματος AGASA της Ιαπωνίας, που παρατήρησαν κατά προσέγγιση 10-πλάσιες κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας -- και έτσι είχαν προτείνει ότι δεν υπήρχε καμία αποκοπή GZK.

Κοσμικές ακτίνες: Έρχονται από πολύ μακριά

Τον περασμένο Νοέμβριο, ερευνητές στο παρατηρητήριο Auger δημοσίευσε μια μελέτη που λέει ότι οι υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες προέρχονται από τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες ή AGN, ή τις καρδιές των εξαιρετικά ενεργών γαλαξιών που θεωρούνται ότι φιλοξενούν στα κέντρα τους υπερβαρέες μαύρες τρύπες.

Οι AGN κατανέμονται σε όλο το σύμπαν, έτσι η επιβεβαίωση που έχουμε ότι η αποκοπή (το όριο) GZK είναι πραγματική, δείχνει ότι εάν οι κοσμικές ακτίνες υπερβολικά υψηλής ενέργειας είναι έξω από τους AGN, είναι πρώτιστα πολύ απόμακρες από τη Γη -- τουλάχιστον στον ουρανό του βόρειου ημισφαιρίου που παρατηρούνται από το παρατηρητήριο HiRes. Αυτό σημαίνει ότι πρόκειται για γαλαξίες πέρα από το "τοπικό" υπερσμήνος γαλαξιών και σε αποστάσεις τουλάχιστον 150 εκατομμύρια έτη φωτός από τη γη,

Εντούτοις, τα αδημοσίευτα αποτελέσματα από την ομάδα του HiRes δεν βρίσκουν τον ίδιο συσχετισμό που έκανε το το παρατηρητήριο Auger μεταξύ αυτών των κοσμικών ακτίνων και των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων. Έτσι ακόμα υπάρχει αβεβαιότητα για την αληθινή πηγή αυτών των εξαιρετικά ενεργητικών κοσμικών ακτίνων.

"Ακόμα δεν ξέρουμε από που προέρχονται, αλλά προέρχονται από μακριά," λέει ο Sokolsky. "Τώρα που ξέρουμε ότι το φαινόμενο του ορίου στην ενέργεια (GZK) είναι αληθινό, πρέπει να εξετάσουμε τις πηγές που βρίσκονται πολύ μακριά"

Μηνύματα από το υπερπέραν

Οι κοσμικές ακτίνες, που ανακαλύφθηκαν το 1912, αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια. Από πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια) και ηλίου, αλλά και μερικών βαρύτερων στοιχείων όπως είναι το οξυγόνο, ο άνθρακας, το άζωτο ή ακόμα και ο σίδηρος. Ο ήλιος και άλλα αστέρια εκπέμπουν σχετικά χαμηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες, ενώ οι μεσαίας ενέργειας κοσμικές ακτίνες προέρχονται από τα αστέρια.

Η πηγή όμως των κοσμικών ακτίνων με υπερβολικά υψηλή ενέργεια είναι ένα μυστήριο εδώ και σχεδόν έναν αιώνα. Πρόσφατα αποτελέσματα του παρατηρητηρίου κοσμικών ακτίνων Pierre Auger έχουν απομακρύνει τη δημοφιλή θεωρία ότι προέρχονται από τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Έχουν 100 εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που παράγεται στους μεγαλύτερους επιταχυντές πάνω στη Γη. Η ενέργεια ενός τέτοιου υποατομικού σωματιδίου έχει συγκριθεί με αυτήν ενός τούβλου από μολύβι που πέφτει στο πόδι μας ή μιας γρήγορης μπάλας του μπέιζ-μπώλ που χτυπά το κεφάλι μας.

"Εντελώς μακριά από την απόκρυφη φυσική, μιλάμε για την κατανόηση της προέλευσης των πιο ενεργητικών σωματιδίων, που παράγονται με την πιο ενεργητική διαδικασία επιτάχυνσης στον κόσμο," λέει ο Sokolsky. "Είναι ένα ζήτημα του πόση ενέργεια μπορεί το σύμπαν να βάλει σε αυτά τα εξαιρετικά μικροσκοπικά σωματίδια γνωστά ως κοσμικές ακτίνες. Το πόσο υψηλή είναι η ενέργεια τους μπορεί να είναι είναι σε γενικές γραμμές άγνωστη. Ώσπου να φτάσουν σε μας, έχουν χάσει αυτή την ενέργεια τους."

Οι κοσμικές ακτίνες με υπερβολικά υψηλή ενέργεια θεωρούνται εκείνες με ενέργειες πάνω από 10¹⁸  ev, η κοσμική ακτίνα με τη μεγαλύτερη ενέρ4γεια ανιχνεύθηκε από το παρατηρητήριο Fly Eye (ή HiRes) της Utah το 1991 που μετέφερε ενέργεια 3*10²⁰ ev.

Το Δίκτυο Τηλεσκοπίων (Telescope Array) καθώς και το Auger  θα συνεχίσουν να ψάχνουν για τις πηγές σπάνιων κοσμικών ακτίνων με υπερβολικά υψηλή ενέργεια που αποφεύγουν την μικροκυματική ακτινοβολία του big bang και κατορθώνουν να φθάνουν ως τη Γη.

"Η λογικότερη υπόθεση είναι αυτές οι ακτίνες προέρχονται από μια κατηγορία ενεργών γαλαξιακών πυρήνων, που ονομάζονται blazars," λέει ο Sokolsky.

Ένα τέτοιο κέντρο γαλαξιών θεωρείται ότι φιλοξενεί μια υπερβαρέα μαύρη τρύπα με μάζα 1 δισεκατομμύριο φορές αυτής του ήλιου. Καθώς η ύλη απορροφιέται από τη μαύρη τρύπα, κάποια ύλη εκτινάσσεται προς τα έξω υπό μορφή ενός πίδακα ακτίνων ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Όταν ένας τέτοιος πίδακας δείχνει προς τη γη, αυτός ο γαλαξίας είναι γνωστός ως blazar.

"Είναι σαν να κοιτάζουμε κατευθείαν στην κάνη ενός πυροβόλου όπλου," διευκρινίζει ο Sokolsky. "Αυτοί οι τύποι των γαλαξιών είναι οι πλέον πιθανοί υποψήφιοι για τις πηγές κοσμικών ακτίνων με υπερβολικά υψηλή ενέργεια."

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.

Αντικείμενα Blazars (BL Lac objects)

Είναι ένας τύπος ενεργού γαλαξία που χαρακτηρίζεται από μια πολύ γρήγορη (καθημερινή) μεταβλητότητα με γρήγορους ρυθμούς στη συνολική λαμπρότητα, με καμία γραμμή εκπομπής, με ισχυρή μη θερμική ακτινοβολία, και που εμφανίζονται σαν άστρα. Ένα αντικείμενο Blazar είναι ένας ραδιογαλαξίας ευθυγραμμισμένος έτσι ώστε να κοιτάζουμε στην ίδια ευθεία με τον πίδακα, δηλαδή προς την ίδια την καρδιά του συστήματος ακριβώς στον πυρήνα. Επειδή κοιτάζουμε κατά μήκος ακριβώς του πίδακα βλέπουμε μια πολύ γρήγορη, ιδιαίτερα φωτεινή ακτινοβολία.

Είναι μια υποκατηγορία των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων AGN που παρατηρούνται στις υψηλότερες ενέργειες. Το Blazar θεωρείται ότι είναι ένας ενεργός γαλαξίας (AGN) που έχει έναν από τους σχετικιστικούς πίδακες να δείχνουν προς τη γη, έτσι ώστε να παρατηρούμε την εκπομπή από την περιοχή του πίδακα. Γι αυτό μοιάζουν με τους κβάζαρ, αλλά δεν είναι τόσο φωτεινοί. Οι εκπομπές στο ορατό φάσμα και η ακτινοβολία ακτίνων γάμμα  από τους blazar είναι χρονικά μεταβλητές με διαστήματα από μερικά λεπτά έως λίγες ημέρες. Αν και υπάρχουν θεωρίες ως προς τις αιτίες αυτής της μεταβλητότητας, τα λίγα στοιχεία που έχουμε δεν μας επιτρέπουν ακόμα να τις επιβεβαιώσουμε.

Μέχρι σήμερα περισσότερα από 60 αντικείμενα Blazars έχουν ανιχνευθεί από το πείραμα EGRET με το παρατηρητήριο ακτίνων γάμμα Compton. Όλα αυτά τα αντικείμενα εμφανίζονται να εκπέμπουν το μεγαλύτερο μέρος της βολομετρικής φωτεινότητάς τους (σε όλο το φάσμα ακτινοβολιών δηλαδή) στις ενέργειες ακτίνων γάμμα και, επιπλέον, είναι ισχυρές εξωγαλαξιακές ραδιοπηγές.