Το σωματίδιο που έσπασε ένα κοσμικό όριο ταχύτητας
Τη νύχτα της 15ης Οκτωβρίου 1991, το σωματίδιο "Oh-My-God" διασχίζει τον ουρανό της Γιούτα.
Μια κοσμική ακτίνα από το διάστημα, διέθετε 320 εξ-ηλεκτρον βολτ (EeV) ενέργειας, εκατομμύρια φορές περισσότερη από ό,τι τα σωματίδια στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον πιο ισχυρό επιταχυντή που κατασκευάστηκε ποτέ από τον άνθρωπο. Το σωματίδιο πήγαινε τόσο γρήγορα που σε έναν αγώνα διάρκειας ενός έτους με το φως, θα είχε χάσει μόλις τα χιλιοστά της τρίχας. Η ενέργειά του ήταν ίση με εκείνη μιας μπάλας μπόουλινγκ που έπεσε στο δάχτυλο του ποδιού. Αλλά οι μπάλες του μπόουλινγκ περιέχουν τόσα άτομα όσα και αστέρια. "Κανείς δεν πίστευε ποτέ ότι θα μπορούσατε να συγκεντρώσετε τόση ενέργεια σε ένα μόνο σωματίδιο πριν", είπε ο David Kieda, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα.
Πέντε περίπου μίλια από το σημείο που έπεσε, ένας ερευνητής εργάστηκε στη βάρδια του μέσα σε ένα παλιό, μολυσμένο από αρουραίους ρυμουλκούμενο, σταθμευμένο στην κορυφή ενός βουνού της ερήμου. Νωρίτερα, το σούρουπο, ο Mengzhi "Steven" Luo είχε ενεργοποιήσει τους υπολογιστές για τον ανιχνευτή Fly's Eye, μια σειρά από δεκάδες σφαιρικούς καθρέφτες που διασκορπίζονταν στο άγονο έδαφος έξω. Καθένας από τους καθρέφτες ήταν βιδωμένος μέσα σε ένα περιστρεφόμενο «κονσέρβα» κατασκευασμένο από ένα τμήμα οχετού, το οποίο έβλεπε προς τα κάτω κατά τη διάρκεια της ημέρας για να εμποδίσει τον ήλιο να εκτινάξει τους αισθητήρες του. Καθώς το σκοτάδι έπεφτε σε μια νύχτα καθαρή και χωρίς φεγγάρι, ο Λού κύλησε τα κουτιά προς τον ουρανό.
«Ήταν ένα πολύ χονδροειδές πείραμα», είπε ο Kieda, ο οποίος χειρίστηκε το Fly’s Eye με τον Luo και πολλούς άλλους. "Αλλά λειτούργησε — αυτό ήταν το πράγμα."
Το αμυδρά λαμπερό ίχνος του σωματιδίου Oh-My-God (όπως το ονόμασε ο προγραμματιστής υπολογιστών και ιδρυτής της Autodesk John Walker σε ένα πρώτο άρθρο του Ιστού) εντοπίστηκε στα δεδομένα του Fly's Eye το επόμενο καλοκαίρι και αναφέρθηκε αφού η ομάδα πέρασε έναν επιπλέον χρόνο πειστικά οι ίδιοι το σήμα ήταν πραγματικό. Το σωματίδιο είχε σπάσει ένα όριο κοσμικής ταχύτητας που είχαν επεξεργαστεί δεκαετίες νωρίτερα από τους Kenneth Greisen, Georgiy Zatsepin και Vadim Kuzmin, οι οποίοι υποστήριξαν ότι κάθε σωματίδιο που ενεργοποιείται πάνω από περίπου 60 EeV θα αλληλεπιδράσει με την ακτινοβολία υποβάθρου που διαπερνά το διάστημα, αποβάλλοντας έτσι γρήγορα ενέργεια και επιβραδύνοντας. Αυτή η «αποκοπή GZK» πρότεινε ότι το σωματίδιο Oh-My-God πρέπει να προήλθε πρόσφατα και κοντά — πιθανώς μέσα στο τοπικό υπερσμήνος γαλαξιών. Αλλά θα χρειαζόταν ένας αστροφυσικός επιταχυντής ασύλληπτου μεγέθους και ισχύος για να παραχθεί ένα τέτοιο σωματίδιο. Όταν οι επιστήμονες κοίταξαν προς την κατεύθυνση από την οποία είχε έρθει το σωματίδιο, δεν μπορούσαν να δουν τίποτα τέτοιο.
"Είναι σαν να έχεις έναν γορίλα στην αυλή σου να σου πετάει μπάλες μπόουλινγκ, αλλά είναι αόρατος", είπε ο Kieda.
Από πού προήλθε το σωματίδιο Oh-My-God; Πώς θα μπορούσε να υπάρχει; Το έκανε πραγματικά; Οι ερωτήσεις παρακίνησαν τους αστροφυσικούς να κατασκευάσουν μεγαλύτερους, πιο εξελιγμένους ανιχνευτές που έκτοτε έχουν καταγράψει εκατοντάδες χιλιάδες περισσότερες «κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας» με ενέργειες πάνω από 1 EeV, συμπεριλαμβανομένων μερικών εκατοντάδων γεγονότων «trans-GZK» πάνω από την αποκοπή των 60 EeV (αν και καμία φτάνοντας τα 320 EeV). Σπάζοντας το όριο ταχύτητας GZK, αυτά τα σωματίδια αμφισβήτησαν μια από τις πιο μακρινές προβλέψεις που έγιναν ποτέ. Φαινόταν πιθανό ότι θα μπορούσαν να προσφέρουν ένα παράθυρο στους νόμους της φυσικής σε κατά τα άλλα απρόσιτες κλίμακες - ίσως ακόμη και να συνδέουν τη σωματιδιακή φυσική με την εξέλιξη του σύμπαντος στο σύνολό του. Τουλάχιστον, υποσχέθηκαν να αποκαλύψουν τη λειτουργία εξαιρετικών αστροφυσικών αντικειμένων που λάμπουν ποτέ μόνο στους φακούς των τηλεσκοπίων. Αλλά με τα χρόνια, καθώς τα σωματίδια σάρωσαν πινελιές φωτός στους αισθητήρες προς κάθε κατεύθυνση, αντί να ζωγραφίσουν ένα ενδεικτικό μοτίβο που θα μπορούσε να ταιριάζει, ας πούμε, με τις τοποθεσίες υπερμεγέθων μαύρων τρυπών ή γαλαξιών που συγκρούονται, δημιούργησαν σύγχυση. «Είναι δύσκολο να εξηγηθούν τα δεδομένα των κοσμικών ακτίνων με κάποια συγκεκριμένη θεωρία», είπε ο Paul Sommers, ένας ημισυνταξιούχος αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που ειδικεύεται στις κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας. "Υπάρχουν προβλήματα με οτιδήποτε προτείνετε."
Μόλις πρόσφατα, με την ανακάλυψη ενός «καυτό σημείου» κοσμικής ακτίνας στον ουρανό, η ανίχνευση σχετικών κοσμικών σωματιδίων υψηλής ενέργειας και η καλύτερη κατανόηση της φυσικής σε πιο γνωστές ενέργειες, οι ερευνητές εξασφάλισαν τα πρώτα ερείσματα στην αναζήτηση της κατανόησης των υπερυψηλών -ενεργειακές κοσμικές ακτίνες. «Μαθαίνουμε πράγματα πολύ γρήγορα», είπε ο Τιμ Λίντεν, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Προβλήματα στον αστράγαλο
Χιλιάδες κοσμικές ακτίνες βομβαρδίζουν κάθε τετραγωνικό πόδι της ατμόσφαιρας της Γης κάθε δευτερόλεπτο, και ωστόσο κατάφεραν να διαφύγουν την ανακάλυψη μέχρι μια σειρά τολμηρών βόλτων με αερόστατο στις αρχές της δεκαετίας του 1910. Καθώς ο Αυστριακός φυσικός Victor Hess ανέβαινε μίλια στην ατμόσφαιρα, παρατήρησε ότι η ποσότητα της ιονίζουσας ακτινοβολίας αυξανόταν με το υψόμετρο. Ο Χες μέτρησε αυτό το βουητό ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων ακόμη και κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης, αποδεικνύοντας ότι μεγάλο μέρος του προερχόταν πέρα από τον ήλιο. Έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τις προσπάθειές του το 1936.
Οι κοσμικές ακτίνες, όπως έγιναν γνωστές, διασχίζουν το μαγνητικό πεδίο της Γης από κάθε κατεύθυνση και με ομαλή εξάπλωση των ενεργειών. (Στο επίπεδο της θάλασσας, βιώνουμε τη χαμηλής ενέργειας, δευτερογενή ακτινοβολία που παράγεται καθώς οι κοσμικές ακτίνες πέφτουν στην ατμόσφαιρα.) Οι περισσότερες κοσμικές ακτίνες είναι απλά πρωτόνια, τα θετικά φορτισμένα δομικά στοιχεία των ατομικών πυρήνων. Τα περισσότερα από τα υπόλοιπα είναι βαρύτεροι πυρήνες, και λίγα είναι ηλεκτρόνια. Όσο πιο ενεργητική είναι μια κοσμική ακτίνα, τόσο πιο σπάνια είναι. Το πιο σπάνιο από όλα, αυτά που φέρουν την ένδειξη «υπερυψηλής ενέργειας» και ξεπερνούν το 1 EeV, χτυπούν κάθε τετραγωνικό χιλιόμετρο του πλανήτη μόνο μία φορά ανά αιώνα.
Η σχεδίαση του αριθμού των κοσμικών ακτίνων που πασπαλίζουν τους ανιχνευτές ανάλογα με τις ενέργειές τους δημιουργεί μια γραμμή με κλίση προς τα κάτω με δύο στροφές - το «γόνατο» και τον «αστραγάλο» του ενεργειακού φάσματος. Αυτά φαίνεται να σηματοδοτούν μεταβάσεις σε διαφορετικούς τύπους κοσμικών ακτίνων ή προοδευτικά μεγαλύτερες και ισχυρότερες πηγές. Το ερώτημα είναι ποιοι τύποι και ποιες πηγές;
Όπως πολλοί ειδικοί, ο Karl-Heinz Kampert, καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Wuppertal στη Γερμανία και εκπρόσωπος του Παρατηρητηρίου Pierre Auger, του μεγαλύτερου ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας στον κόσμο, πιστεύει ότι οι κοσμικές ακτίνες επιταχύνονται από κάτι σαν τις ηχητικές εκρήξεις από υπερηχητικά πίδακες, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα. Η επιτάχυνση κραδασμών, όπως λέγεται, «είναι μια θεμελιώδης διαδικασία που μπορείτε να βρείτε σε οποιαδήποτε κλίμακα στο σύμπαν», είπε ο Κάμπερτ, από ηλιακές εκλάμψεις έως εκρήξεις άστρων (σούπερνόβα) έως ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια που ονομάζονται πάλσαρ έως τους τεράστιους λοβούς που προέρχονται από μυστηριώδεις, σούπερ -φωτεινοί γαλαξίες γνωστοί ως ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες. Όλες είναι περιπτώσεις θερμαινόμενης ύλης (ή «πλάσμα») που ρέει ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου, παράγοντας ένα διαστελλόμενο ωστικό κύμα που συσσωρεύει μια κρούστα πρωτονίων και άλλων σωματιδίων. Τα σωματίδια αντανακλώνται εμπρός και πίσω κατά μήκος του κρουστικού κύματος, παγιδευμένα μεταξύ του μαγνητικού πεδίου του πλάσματος και του κενού του κενού χώρου σαν μικρές μπάλες που κάνουν πινγκ-πονγκ ανάμεσα στο τραπέζι και το κουπί. Ένα σωματίδιο αποκτά ενέργεια με κάθε αναπήδηση. «Τότε θα δραπετεύσει», είπε ο Κάμπερτ, «και θα κινηθεί μέσα στο σύμπαν και θα εντοπιστεί από ένα πείραμα».
Emily Fuhrman για το περιοδικό Quanta
Οι κοσμικές ακτίνες πιθανότατα ενεργοποιούνται μέσω της «επιτάχυνσης κρούσης», αντανακλώντας εμπρός και πίσω σε ένα κύμα κρούσης που παράγεται όταν το πλάσμα ρέει ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου. Όσο ισχυρότερο και μεγαλύτερο είναι το μαγνητικό πεδίο του πλάσματος, τόσο περισσότερη ενέργεια μπορεί να μεταδώσει σε ένα σωματίδιο. Οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας ξεπερνούν το 1 βολτ εξ-ηλεκτρονίου (EeV).
Ωστόσο, η προσπάθεια αντιστοίχισης διαφορετικών κρουστικών κυμάτων με μέρη του ενεργειακού φάσματος των κοσμικών ακτίνων βάζει τους αστροφυσικούς σε ασταθές έδαφος. Θα περίμεναν ότι το γόνατο και ο αστράγαλος θα σηματοδοτούν τα υψηλότερα σημεία στα οποία μπορούν να ενεργοποιηθούν τα πρωτόνια και οι βαρύτεροι πυρήνες (αντίστοιχα) στα κρουστικά κύματα των σουπερνόβα - των πιο ισχυρών επιταχυντών στον γαλαξία μας. Οι υπολογισμοί υποδεικνύουν ότι τα πρωτόνια θα πρέπει να υπερβαίνουν το 0,001 EeV, και πράγματι, αυτό ευθυγραμμίζεται με το γόνατο. Οι βαρύτεροι πυρήνες από κρουστικά κύματα σουπερνόβα πιστεύεται ότι είναι ικανοί να φτάσουν το 0,1 EeV, καθιστώντας αυτόν τον αριθμό το αναμενόμενο σημείο μετάβασης σε πιο ισχυρές πηγές «εξωγαλαξιακών» κοσμικών ακτίνων. Αυτά θα ήταν κρουστικά κύματα από μεμονωμένα αντικείμενα που δεν βρίσκονται στον Γαλαξία ή στους περισσότερους άλλους γαλαξίες και τα οποία θα μπορούσαν κάλλιστα να έχουν μέγεθος γαλαξία. Ωστόσο, ο μετρημένος αστράγαλος του φάσματος - «το μόνο μέρος όπου φαίνεται ότι υπάρχει μια σαφής μετάβαση», είπε ο Sommers - βρίσκεται γύρω στα 5 EeV, μια τάξη μεγέθους που υπερβαίνει το θεωρητικό μέγιστο για τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες. Κανείς δεν είναι σίγουρος τι να κάνει με τη διαφορά.
Πέρα από τον αστράγαλο, περίπου στα 60 EeV, η γραμμή βυθίζεται προς το μηδέν, σχηματίζοντας ένα είδος δακτύλου. Αυτή είναι πιθανώς η αποκοπή του GZK, το σημείο πέρα από το οποίο οι κοσμικές ακτίνες μπορούν να μείνουν μόνο για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα πριν χάσουν ενέργεια στα κοσμικά μικροκύματα του περιβάλλοντος που δημιουργούνται από μια μετάβαση φάσης στο πρώιμο σύμπαν. Η ύπαρξη της αποκοπής, την οποία ο Κάμπερτ αποκαλεί «η μόνη σταθερή πρόβλεψη που έγινε ποτέ» για τις κοσμικές ακτίνες, καθορίστηκε το 2007 από τον διάδοχο του Fly's Eye - το πείραμα High Resolution Fly's Eye ή HiRes. Από εκεί, το ενεργειακό φάσμα μειώνεται σε μια στάλα κοσμικών ακτίνων trans-GZK, τελειώνοντας τελικά, στα 320 EeV, με ένα μόνο σημείο δεδομένων:το σωματίδιο Oh-My-God.
Η παρουσία της αποκοπής GZK σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής λειτουργούν όπως αναμένεται. Αντί να διαψεύδουν αυτούς τους νόμους, οι κοσμικές ακτίνες trans-GZK πιθανότατα προέρχονται από κοντά (φτάνοντας στη Γη πριν τα μικροκύματα του περιβάλλοντος εξαντλήσουν την ενέργειά τους). Αλλά πού και πώς; Για τρελά 20 χρόνια, τα σωματίδια φαινόταν να προέρχονται από παντού και από πουθενά ιδιαίτερα. Αλλά τελικά ένα hotspot έχει αναπτυχθεί στο βόρειο ημισφαίριο. Θα μπορούσε να είναι ο αόρατος γορίλας που εκτοξεύει μπάλες μπόουλινγκ προς τη Γη;
Όλο και πιο ζεστό
Στη Γιούτα, τρεις ώρες οδικώς από την τοποθεσία του αρχικού Fly’s Eye, ο τελευταίος απόγονός του απλώνεται στην έρημο:ένα 762– πλέγμα ανιχνευτών τετραγωνικών χιλιομέτρων που ονομάζεται Συστοιχία Τηλεσκοπίων. Το πείραμα παρακολουθεί τις «ντους αέρα» πολλών δισεκατομμυρίων σωματιδίων που παράγονται από κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας από το 2008. «Παρακολουθούμε το hotspot να αυξάνεται σε στατιστική σημασία εδώ και αρκετά χρόνια», δήλωσε ο Gordon Thomson, καθηγητής φυσικής και αστρονομία στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα και εκπρόσωπος του Telescope Array.
Το hotspot των κοσμικών ακτίνων trans-GZK, που επικεντρώνεται στον αστερισμό της Μεγάλης Άρκτου, ήταν αρχικά πολύ αδύναμο για να ληφθεί σοβαρά υπόψη. Αλλά το περασμένο έτος, έφτασε σε μια εκτιμώμενη στατιστική σημασία «τεσσάρων σίγμα», δίνοντάς του 99,994 τοις εκατό πιθανότητα να είναι πραγματικό. Ο Τόμσον και η ομάδα του πρέπει να φτάσουν σε βεβαιότητα πέντε σίγμα για να διεκδικήσουν οριστικά μια ανακάλυψη. (Η Thomson ελπίζει ότι αυτό θα συμβεί στην επόμενη ανάλυση δεδομένων της ομάδας, που αναμένεται να κυκλοφορήσει τον Ιούνιο.) Ήδη, οι θεωρητικοί αντιμετωπίζουν το hotspot ως άγκυρα για τις ιδέες τους.
«Είναι πραγματικά συναρπαστικό», είπε ο Λίντεν. Με περισσότερα δεδομένα, εξήγησε, η θέση της πηγής μπορεί να εντοπιστεί με ακρίβεια μέσα στο hotspot (το οποίο λερώνεται από την εκτροπή των κοσμικών ακτίνων καθώς περνούν μέσα από τα μαγνητικά πεδία του γαλαξία και της Γης). Παρακολουθώντας άλλους τύπους σωματιδίων που προέρχονται από το ίδιο σημείο στον ουρανό, «έχετε ένα μοντέλο για το πώς λειτουργεί η πηγή σε πολλές τάξεις μεγέθους σε ενέργεια», είπε. Ο αόρατος γορίλας θα υλοποιηθεί.
Εν τω μεταξύ, μερικά από αυτά τα άλλα σωματίδια συσσωρεύονται σιγά-σιγά στους αισθητήρες του ανιχνευτή IceCube, ενός μπλοκ πάγου κυβικών χιλιομέτρων με καλώδια που είναι θαμμένο κάτω από τον Νότιο Πόλο. Τα τελευταία τέσσερα χρόνια, το IceCube παρακολουθούσε τα σπάνια ίχνη πάγου των νετρίνων, ελαφρών στοιχειωδών σωματιδίων που συνήθως περνούν ακριβώς μέσα από την ύλη και επομένως απαιτούν τεράστιες προσπάθειες για την ανίχνευση, αλλά που παράγονται σε αφθονία από φυσικές διεργασίες σε όλο το σύμπαν.
Κάθε τόσο, τα κοσμικά νετρίνα αλληλεπιδρούν με άτομα και παράγουν ακτινοβολία καθώς περνούν μέσα από το IceCube. οι κατευθύνσεις ταξιδιού τους ανιχνεύουν έναν νέο χάρτη του σύμπαντος που μπορεί να συγκριθεί με τους χάρτες των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας και του φωτός. Το 2013, οι επιστήμονες του IceCube ανέφεραν την παρατήρηση των πρώτων νετρίνων πολύ υψηλής ενέργειας - ένα ζευγάρι σωματιδίων 0,001-EeV με το παρατσούκλι "Bert" και "Ernie" που μπορεί να προέρχονται από τις ίδιες πηγές που παράγουν κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας . Τα νετρίνα έχουν ένα μεγάλο πλεονέκτημα έναντι των κοσμικών ακτίνων ως αγγελιοφόροι από τα πιο ισχυρά αντικείμενα στο σύμπαν:Επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, κινούνται σε ευθείες γραμμές. «Δεδομένου ότι τα νετρίνα ταξιδεύουν προς εμάς χωρίς να εμποδίζονται από την πηγή, μπορεί να είναι σε θέση να ανοίξουν ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν», δήλωσε η Όλγα Μπότνερ από το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, εκπρόσωπος του IceCube.
Από τα 54 νετρίνα υψηλής ενέργειας που έχει εντοπίσει το IceCube ως την τελευταία του ανάλυση, αναφέρθηκε στις αρχές Μαΐου, τέσσερις προέρχονται από την περιοχή του hotspot της κοσμικής ακτίνας. (Τα νετρίνα μπορούν να εισέλθουν στον ανιχνευτή αφού ταξιδέψουν μέσω της Γης από τον βόρειο ουρανό.) Αυτή η «υπαινιγμός μιας συσχέτισης», όπως την περιέγραψε ο Linden, θα μπορούσε να είναι μια ένδειξη:οι κοσμικές ακτίνες χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να φτάσουν στη Γη από τα νετρίνα, οπότε μια κοινή πηγή θα μπορούσε να πρέπει να έχουν αντλήσει ενεργητικά σωματίδια για πολλά χρόνια. Οι βραχύβιες υποψήφιες πηγές, όπως οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, θα αποκλείονταν υπέρ των σταθερών αντικειμένων - ίσως ένας γαλαξίας σχηματισμού αστέρων με μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του. «Τα επόμενα χρόνια θα πάρουμε πολλά περισσότερα νετρίνα και θα δούμε πώς θα εξελιχθεί αυτή η συσχέτιση», είπε ο Linden. Προς το παρόν, όμως, ο συσχετισμός είναι πολύ ασθενής. «Δεν πατάω το πόδι μου στο έδαφος», είπε.
Παράλληλα με τις κοσμικές ακτίνες και τα νετρίνα, οι κοσμικές «ακτίνες γάμμα» (φωτόνια υψηλής ενέργειας) θα χρησιμεύσουν ως τρίτος αγγελιοφόρος τα επόμενα χρόνια. Αποτελούν το αντικείμενο πολλών σημαντικών αναζητήσεων, συμπεριλαμβανομένου του πειράματος HESS (Στερεοσκοπικό Σύστημα Υψηλής Ενέργειας) στη Ναμίμπια — που ονομάστηκε προς τιμήν του πατέρα των κοσμικών ακτίνων — και VERITAS (Σύστημα Συστοιχίας Τηλεσκοπίων Απεικόνισης Πολύ Ενεργειακής Ακτινοβολίας) στην Αριζόνα, για το οποίο η Kieda, ο πρώην επιστήμονας του Fly's Eye, τώρα εργάζεται. Ο συνδυασμός δεδομένων κοσμικών ακτίνων, νετρίνων και ακτίνων γάμμα θα πρέπει να βοηθήσει στον εντοπισμό και στην οξύτητα της εικόνας των αστροφυσικών για τους πιο ισχυρούς επιταχυντές στο σύμπαν. Η αναζήτηση θα οργανωθεί γύρω από το hotspot.
Ο Τόμσον έχει τα χρήματά του σε νήματα γαλαξιών και σκοτεινής ύλης που ονομάζονται «νημάτια» που είναι τυλιγμένα σε όλο τον κόσμο και τα οποία, σε μήκος εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός, είναι από τις μεγαλύτερες δομές που υπάρχουν. Υπάρχει ένα νήμα προς την κατεύθυνση του hotspot. «Μάλλον είναι κάτι στο νήμα», είπε ο Τόμσον. Σε κάθε περίπτωση, πρόσθεσε, «έχουμε μια ιδέα τώρα για ενδιαφέροντα μέρη να ψάξουμε. Και το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε είναι να συλλέξουμε περισσότερα δεδομένα."
Αποστράγγιση της πισίνας
Ο Kampert, του Παρατηρητηρίου Pierre Auger, προσεγγίζει το μυστήριο των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας από διαφορετική κατεύθυνση, ρωτώντας:Ποιες είναι αυτές;
Μερικοί αστροφυσικοί λένε ότι το Αστεροσκοπείο Auger ήταν «άτυχο». Καλύπτοντας 3.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα λιβαδιών της Αργεντινής, συλλέγει πολύ περισσότερα δεδομένα από τη Συστοιχία Τηλεσκοπίων, αλλά δεν βλέπει ένα hotspot στο Νότιο Ημισφαίριο με πουθενά κοντά στο εξέχον μέρος αυτού στο βορρά. Έχει ανιχνεύσει στοιχεία για μια ελαφρά συγκέντρωση κοσμικών ακτίνων trans-GZK στον ουρανό που επικαλύπτει έναν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα που ονομάζεται Κένταυρος Α καθώς και ένα άλλο νήμα. Αλλά ο Kampert λέει ότι ο Auger μπορεί να μην συλλέξει ποτέ αρκετά δεδομένα για να αποδείξει ότι αυτό το λεγόμενο «θερμό σημείο» είναι αληθινό. Ωστόσο, η έλλειψη ενδείξεων είναι από μόνη της ένα μυστήριο.
«Είναι ένα πολύ πλούσιο σύνολο δεδομένων και δεν βλέπουμε τίποτα», είπε ο Sommers, ο οποίος βοήθησε στο σχεδιασμό και την οργάνωση του Auger Observatory. «Αυτό είναι απολύτως εκπληκτικό για μένα. Πίσω στη δεκαετία του 1980 θα έβαζα στοίχημα καλά χρήματα ότι αν είχαμε τα στατιστικά που έχουμε τώρα, θα υπήρχαν προφανή hotspots και μοτίβα. Με κάνει πραγματικά να αναρωτιέμαι."
Ο Kampert πιστεύει ότι αυτός και οι συνάδελφοί του πρέπει απλώς να γίνουν πιο έξυπνοι σχετικά με το πώς αναζητούν hotspots, τα οποία σίγουρα υπάρχουν. η τοπική περιοχή του σύμπαντος δεν καλύπτεται ομοιόμορφα από αντικείμενα ικανά να επιταχύνουν τα σωματίδια σε ενέργειες trans-GZK. Το πρόβλημα είναι η μαγνητική εκτροπή, είπε. Τα γαλαξιακά και τα εξωγαλαξιακά μαγνητικά πεδία κάμπτουν τα πρωτόνια κατά πέντε έως 10 μοίρες εκτός πορείας και λυγίζουν βαρύτερους πυρήνες πολλές φορές περισσότερο, ανάλογα με τον αριθμό των πρωτονίων που περιέχουν. Η ανάλυση του Auger των γεγονότων του ντους αέρα (η οποία ενσωματώνει αποτελέσματα αιχμής από συγκρούσεις σωματιδίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων) υποδηλώνει ότι οι κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας τείνουν να βρίσκονται στη βαριά πλευρά, αποτελούμενες από άνθρακα ή ακόμα και πυρήνες σιδήρου.
«Αν στις υψηλότερες ενέργειες έχουμε [βαρύτερους πυρήνες], τότε ο ουρανός σας είναι πάντα θολός ή κηλιδωμένος», είπε ο Κάμπερτ. "Θα ήταν σαν να κάνεις αστρονομία από τον πάτο μιας πισίνας."
Αυτός και η ομάδα του ελπίζουν να ενημερώσουν το πείραμά τους με την ικανότητα να αναγνωρίζουν τη σύνθεση των κοσμικών ακτίνων με βάση κάθε γεγονός. Αυτό θα τους επιτρέψει να αναζητήσουν συσχετίσεις μόνο μεταξύ των ελαφρύτερων, λιγότερο εκτρεπόμενων σωματιδίων. "Η σύνθεση είναι πραγματικά το κλειδί για την κατανόηση της προέλευσης των σωματιδίων υψηλότερης ενέργειας", είπε.
Και η στροφή προς βαρύτερους πυρήνες στο μακρινό άκρο του ενεργειακού φάσματος των κοσμικών ακτίνων θα μπορούσε να είναι από μόνη της μια σημαντική ένδειξη. Ακριβώς όπως τα σουπερνόβα επιταχύνουν τα πρωτόνια όχι μακρύτερα από το «γόνατο» του φάσματος και μπορούν να προωθήσουν μόνο βαρύτερους πυρήνες πέρα από αυτό το σημείο, έτσι και οι πιο ισχυροί αστροφυσικοί επιταχυντές στο σύμπαν μπορεί να εξαφανιστούν. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν να δουν το πραγματικό άκρο του φάσματος των κοσμικών ακτίνων:τα σημεία όπου τα πρωτόνια, και στη συνέχεια το ήλιο, ο άνθρακας και ο σίδηρος, μεγιστοποιούνται. Η μέτρηση αυτής της πτώσης θα βοηθήσει στην αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν οι γιγάντιοι επιταχυντές — και θα ευνοήσει ορισμένους υποψήφιους έναντι άλλων.
Οι θεωρητικοί εξακολουθούν να αγωνίζονται να φανταστούν κάποιον από αυτούς τους υποψηφίους να παράγει το ψεκασμό σωματιδίων στην περιοχή των 200-EeV ή το σωματίδιο Oh-My-God στα 320 — ακόμα κι αν είναι φτιαγμένα από σίδηρο. «Το πώς παίρνετε ένα σωματίδιο [320 EeV] δεν είναι εύκολο από καμία θεωρία», είπε ο Thomson. «Αλλά ήταν εκεί. Συνέβη."
Ακόμη και αυτό το γεγονός αμφισβητείται. Πίσω στις αρχές της δεκαετίας του 1990, ο Sommers, ο οποίος εργαζόταν προσωρινά στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, βοήθησε τους επιστήμονες του Fly’s Eye να αναλύσουν το σήμα τους 320-EeV. Αλλά παρόλο που το «μεγάλο γεγονός» (όπως το αποκαλεί) ήταν «αρκετά καλά μετρημένο με τα πρότυπα της εποχής», το Fly's Eye δεν είχε απομακρυνθεί πλήρως από το να είναι ένα «μονόφθαλμο» πείραμα, ανάλογο με το μάτι της μύγας και όχι δύο (ένα δεύτερο μάτι ήταν υπό κατασκευή). του έλειπε η ακρίβεια και ο πλεονασμός των μεταγενέστερων στερεοσκοπικών συστοιχιών. Ο Sommers είπε ότι αν και δεν είναι γνωστοί σοβαροί λόγοι αμφισβήτησης της εκτίμησης της ενέργειας, «πρέπει κανείς να το έχει καχύποπτο τώρα. Με πολύ μεγαλύτερη έκθεση, τα πιο ακριβή, νέα παρατηρητήρια δεν έχουν καταφέρει να ανιχνεύσουν κανένα σωματίδιο τόσο υψηλής ενέργειας. Η ροή των σωματιδίων σε ενέργειες τόσο υψηλές πρέπει να είναι τόσο χαμηλή που θα ήταν απίστευτο να ανιχνεύσει το Fly’s Eye."
Οι ράβδοι σφάλματος που μπήκαν στον υπολογισμό της ενέργειας του σωματιδίου Oh-My-God μπορεί να ήταν όλες εκτός λειτουργίας σε λάθος κατεύθυνση ταυτόχρονα. Αν ναι, ήταν ένα τυχερό λάθος για το πεδίο, το κίνητρο για νέα πειράματα χωρίς να παραπλανήσει πολύ τους ερευνητές, αφού ακολούθησαν πολλά άλλα σωματίδια trans-GZK. Και αν το σωματίδιο Oh-My-God ήταν λάθος, μάλλον κανείς δεν θα το μάθει ποτέ.
