Πηγή Κοσμικών Ακτίνων Υψηλής Ενέργειας Καρφώθηκε Επιτέλους
Τον περασμένο αιώνα, οι φυσικοί έχουν προβληματιστεί για τις κοσμικές ακτίνες, τα σωματίδια (κυρίως πρωτόνια) που περνούν στο διάστημα με μεγάλη ταχύτητα και φαίνεται να προέρχονται εξίσου από όλες τις κατευθύνσεις. Ποια είναι η πηγή αυτών των γαλαξιακών βλημάτων; Και πώς γίνεται να ταξιδεύουν τόσο γρήγορα; Σήμερα, μια διεθνής ομάδα ανακοίνωσε ένα σημαντικό βήμα προς την απάντηση αυτών των ερωτημάτων:πειστικές αποδείξεις ότι τουλάχιστον μερικές από τις κοσμικές ακτίνες προέρχονται από υπολείμματα σουπερνόβα-διαστελλόμενα κελύφη ύλης από εκρηκτικά αστέρια- που δρουν ως φυσικοί επιταχυντές σωματιδίων.
Οι κοσμικές ακτίνες έχουν αποδειχθεί ένα διαρκές μυστήριο επειδή οι αλληλεπιδράσεις τους συσκοτίζουν την προέλευσή τους. Όντας φορτισμένα σωματίδια, «αισθάνονται» την ώθηση και την έλξη των μαγνητικών πεδίων στο διάστημα. Ως αποτέλεσμα, ταξιδεύουν σε όλο τον γαλαξία σε μεγάλες, κυκλικές διαδρομές που καθιστούν αδύνατο για τους ανιχνευτές στη Γη να εντοπίσουν από πού προέρχονται.
Η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύουν τα σωματίδια υποδηλώνει ότι πρέπει να προέρχονται από κάποια βίαιη πηγή υψηλής ενέργειας. Οι ερευνητές υποπτεύονταν από καιρό τα υπολείμματα σουπερνόβα αλλά δεν είχαν τρόπο να το αποδείξουν. «Χρειαζόμασταν έναν ουδέτερο αγγελιοφόρο για να δούμε από πού προέρχονται», λέει ο Στέφαν Φανκ του Πανεπιστημίου Στάνφορντ στο Πάλο Άλτο της Καλιφόρνια, εκπρόσωπος της ομάδας των 170 ατόμων. Οι ακτίνες γάμμα—φωτόνια υψηλής ενέργειας που παράγονται ως υποπροϊόν των επιταχυνόμενων πρωτονίων—μπορούν να καλύψουν το ρόλο των ουδέτερων αγγελιαφόρων επειδή δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και επομένως ταξιδεύουν στο διάστημα σε ευθείες γραμμές. Αλλά τα ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας παράγουν επίσης ακτίνες γάμμα, και μέχρι τώρα οι φυσικοί δεν ήταν σε θέση να πουν εάν οι ακτίνες γάμμα που ανιχνεύουν από υπολείμματα σουπερνόβα προέρχονται από ηλεκτρόνια ή πρωτόνια. «Η αποσύνδεση αυτών των δύο ήταν πολύ δύσκολη», λέει ο Luke Drury του Ινστιτούτου Προηγμένων Σπουδών του Δουβλίνου.
Ο Ιταλοαμερικανός φυσικός Ενρίκο Φέρμι το 1949 πρότεινε για πρώτη φορά έναν τρόπο με τον οποίο τα υπολείμματα σουπερνόβα θα μπορούσαν να επιταχύνουν τα πρωτόνια. Ο μηχανισμός πάει κάπως έτσι:Το υπόλειμμα σουπερνόβα είναι ένα διαστελλόμενο σφαιρικό κέλυφος ύλης που ωθεί προς τα έξω στο διάχυτο αέριο μεταξύ των άστρων - το διαστρικό μέσο. Αυτό παράγει ένα κρουστικό κύμα στο μπροστινό μέρος του κελύφους, και αυτό το μέτωπο κρούσης μεταφέρει πολύπλοκα μαγνητικά πεδία, τόσο μπροστά όσο και πίσω. Ένα φορτισμένο σωματίδιο, όπως ένα πρωτόνιο στο κρουσμένο αέριο, μπορεί να αναπηδήσει εμπρός και πίσω μεταξύ αυτών των δύο πεδίων, περνώντας επανειλημμένα από το μέτωπο κρούσης και λαμβάνοντας μια κλωτσιά νέας ενέργειας σε κάθε πέρασμα. Τελικά θα αποκτήσει αρκετή ενέργεια για να ξεφύγει από τα μαγνητικά πεδία και να εκτοξευτεί στο διάστημα ως κοσμική ακτίνα.
Όταν το πρωτόνιο υψηλής ταχύτητας συγκρούεται με ένα από τα ξαδέρφια του χαμηλής ταχύτητας στο διαστρικό μέσο, η αλληλεπίδρασή τους συχνά δημιουργεί ένα στοιχειώδες σωματίδιο που ονομάζεται ουδέτερο πιόνιο. Το πιόνιο διασπάται σχεδόν αμέσως σε δύο ακτίνες γάμμα—οι ουδέτεροι αγγελιοφόροι που δείχνουν πρωτόνια υψηλής ενέργειας είναι παρόντες. Τα ηλεκτρόνια που επιταχύνονται από το υπόλοιπο σουπερνόβα παράγουν επίσης ακτίνες γάμμα, αλλά με διαφορετικό μηχανισμό που αφήνει μια λεπτή διαφορά στα ενεργειακά φάσματα των δύο συνόλων ακτίνων γάμμα. Επειδή τα γάμμα του πρωτονίου στην πραγματικότητα προέρχονται από πιόνια, κάθε ακτίνα γάμμα πρέπει να έχει τουλάχιστον τη μισή ενέργεια ενός πιονίου. Οι ακτίνες γάμμα χαμηλότερης ενέργειας δεν εμφανίζονται στο ενεργειακό τους φάσμα. Οι ακτίνες γάμμα από ηλεκτρόνια, αντίθετα, δεν δείχνουν αυτό το σημείο αποκοπής χαμηλής ενέργειας.
Οι ακτίνες γάμμα από το βαθύ διάστημα είναι δύσκολο να ανιχνευθούν επειδή η ατμόσφαιρα της Γης τις σταματά πριν φτάσουν στην επιφάνεια. Και μέχρι πρόσφατα, οι ανιχνευτές σε τροχιά δεν ήταν αρκετά ακριβείς για να ανιχνεύσουν την ενεργειακή αποκοπή. Αλλά το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi της NASA μπορεί να το κάνει και η ομάδα του Funk άρχισε να το χρησιμοποιεί αμέσως μετά την εκτόξευση του το 2008. Για τα επόμενα 4 χρόνια μελέτησαν δύο κοντινά υπολείμματα σουπερνόβα. "Το όργανο δεν είναι τέλειο, αλλά μπορούσαμε να δούμε ξεκάθαρα την αποκοπή στη σωστή ενέργεια", λέει ο Funk. «Έχουμε δείξει ξεκάθαρα ότι τα υπολείμματα σουπερνόβα μπορούν να επιταχύνουν τις κοσμικές ακτίνες». «Αυτό είναι ένα αρκετά σημαντικό και αναμενόμενο από καιρό αποτέλεσμα», λέει ο Βέρνερ Χόφμαν του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας. «Διακανονίζει την υπόθεση τουλάχιστον για αυτήν την ειδική κατηγορία υπολειμμάτων σουπερνόβα».
Η ομάδα έχει δείξει ότι τα υπολείμματα σουπερνόβα είναι πηγή κοσμικών ακτίνων. Είναι όμως η κύρια πηγή; Η εύρεση θα απαιτήσει τη συσσώρευση περισσότερων δεδομένων και τη μελέτη περισσότερων αντικειμένων, λέει ο Funk, αλλά τουλάχιστον οι ερευνητές έχουν τώρα τα εργαλεία που χρειάζονται:"Το αποτέλεσμα είναι ωραίο με την έννοια ότι η θεωρητική κατανόηση έγινε εδώ και πολύ καιρό. Μόνο τώρα έχουμε την τεχνολογία για να επιβεβαιώσουμε αυτές τις ιδέες».
