Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι εξαιρετικά βαρείς ατομικοί πυρήνες θα μπορούσαν να εξηγήσουν μερικές από τις κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας που έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Τα σωματίδια μπορεί να προέρχονται από ακραία γεγονότα, όπως συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων και κατάρρευση τεράστιων αστέρων.
Ένα νέο στοιχείο
Οι επιστήμονες μπορεί να έχουν αποκαλύψει ένα νέο στοιχείο πίσω από την προέλευση των πιο ενεργητικών σωματιδίων που έχουν εντοπιστεί ποτέ στο σύμπαν.
Οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι σωματίδια από το διάστημα που χτυπούν τη Γη με ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από οτιδήποτε παράγεται από ανθρωπογενείς επιταχυντές σωματιδίων. Ένα από τα πιο ακραία παραδείγματα είναι το «σωματίδιο Amaterasu», που ανιχνεύθηκε στη Γιούτα από το Telescope Array το 2021 και πήρε το όνομά του από την ιαπωνική θεά του ήλιου. Η ενέργειά του ανταγωνίζεται αυτήν του διάσημου «σωματιδίου Ω, Θεέ μου» που ανακαλύφθηκε το 1991, αλλά οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην γνωρίζουν ακριβώς τι ήταν ή από πού προήλθε.
Νέα έρευνα από επιστήμονες του Penn State, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, υποδηλώνει ότι ορισμένες από αυτές τις ρεκόρ κοσμικές ακτίνες μπορεί να αποτελούνται από ατομικούς πυρήνες βαρύτερους από τον σίδηρο. Οι ατομικοί πυρήνες είναι τα πυκνά κέντρα ατόμων που αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια, που περιέχουν σχεδόν όλη τη μάζα ενός ατόμου.
Υπερβολικά βαρείς πυρήνες μπορεί να εξηγήσουν τις ακραίες κοσμικές ακτίνες
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες μπορεί να χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους ελαφρύτερους πυρήνες ενώ ταξιδεύουν μέσα στον διαγαλαξιακό χώρο. Αυτό θα μπορούσε να τους επιτρέψει να διασχίσουν τεράστιες κοσμικές αποστάσεις και να φτάσουν στη Γη με εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. Στην εργασία συμμετείχαν επιστήμονες από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Yukawa στην Ιαπωνία, το Virginia Tech και πολλά άλλα ιδρύματα και θα μπορούσε να βοηθήσει στον περιορισμό της αναζήτησης για κοσμικά περιβάλλοντα ικανά να επιταχύνουν τέτοια σωματίδια.
«Οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας μπορούν να επιταχυνθούν μόνο από μερικές από τις πιο ισχυρές πηγές στο σύμπαν», δήλωσε ο Kohta Murase, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας και αστροφυσικής στο Penn State Eberly College of Science και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. «Όταν ανιχνεύουμε μεμονωμένα σωματίδια κοσμικών ακτίνων όπως το σωματίδιο Amaterasu εδώ στη Γη, μπορούμε συχνά να χρησιμοποιήσουμε τις ενέργειές τους, τις κατευθύνσεις άφιξής τους και τις αναμενόμενες μαγνητικές εκτροπές τους για να συμπεράνουμε τις πιθανές κοσμικές πηγές τους».
Ωστόσο, το σωματίδιο Amaterasu φάνηκε να προέρχεται από ένα γιγάντιο κοσμικό κενό χωρίς προφανή πηγή ικανή να παράγει κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
Ένα 60ετές μυστήριο στην αστροφυσική
«Η προέλευση και οι μηχανισμοί επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας αποτελούν από τα μεγαλύτερα μυστήρια στον τομέα για περισσότερα από 60 χρόνια, από τότε που αναφέρθηκε το πρώτο παράδειγμα», δήλωσε ο Murase.
Αυτά τα σωματίδια μεταφέρουν ενέργειες άνω των 100 exa-ηλεκτρονιοβολτ, ή 100 πεντάκις εκατομμύρια ηλεκτρονιοβολτ. Αυτό τα καθιστά περίπου 10 εκατομμύρια φορές πιο ενεργητικά από τα σωματίδια που επιταχύνονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Το σωματίδιο Amaterasu από μόνο του έφτασε περίπου τα 240 exa-ηλεκτρονιοβολτ, μεταφέροντας περίπου την ίδια κινητική ενέργεια με μια γρήγορα κινούμενη μπάλα του τένις συγκεντρωμένη σε ένα μόνο σωματίδιο.
«Αυτές οι κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας πιστεύεται ότι προέρχονται από ακραίες αστροφυσικές πηγές, όπως η σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων ή η κατάρρευση ενός τεράστιου αστέρα», δήλωσε ο Murase. «Για πολλά συμβάντα κοσμικών ακτίνων συνολικά, η κατανομή ενέργειάς τους, το μοτίβο κατεύθυνσης άφιξης και η στατιστικά συμπερασθείσα σύνθεσή τους παρέχουν σημαντικές ενδείξεις για το από πού προέρχονται αυτά τα σωματίδια και πώς επιταχύνονται».
Προσομοίωση του πώς τα σωματίδια ταξιδεύουν στο διάστημα
Για να διερευνήσουν ποια σωματίδια θα μπορούσαν να επιβιώσουν από το ταξίδι τους προς τη Γη σε τόσο τεράστιες ενέργειες, οι ερευνητές πραγματοποίησαν λεπτομερείς προσομοιώσεις σε υπολογιστή παρακολουθώντας πώς σωματίδια διαφορετικών μαζών χάνουν ενέργεια ενώ κινούνται μέσα στον διαγαλαξιακό χώρο.
«Η έρευνά μας έδειξε ότι σε ενέργειες συγκρίσιμες με αυτήν του σωματιδίου Amaterasu, οι εξαιρετικά βαρείς πυρήνες χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους πυρήνες ενδιάμεσης μάζας, καθιστώντας τους πιο ικανούς να επιβιώσουν σε κοσμικές αποστάσεις και να φτάσουν στη Γη σε ακραίες ενέργειες», δήλωσε ο Murase. «Δεν λέμε ότι όλες οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι εξαιρετικά βαρείς πυρήνες. Αλλά αν ορισμένα από τα γεγονότα υψηλότερης ενέργειας είναι εξαιρετικά βαρείς πυρήνες, αυτό θα επηρέαζε τον τρόπο που αναζητούμε τις πηγές τους».
Η μελέτη έθεσε επίσης νέα όρια στο πόσο αυτοί οι εξαιρετικά βαρείς πυρήνες μπορούν να συμβάλουν στον συνολικό πληθυσμό των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας που ανιχνεύονται στη Γη.
Μαύρες Τρύπες και Αστέρες Νετρονίων ως Πιθανές Πηγές
«Οι πιο υποσχόμενες τοποθεσίες για την παραγωγή και την επιτάχυνση τέτοιων εξαιρετικά βαρέων πυρήνων είναι οι μαζικοί θάνατοι άστρων που περιλαμβάνουν εκρηκτική κατάρρευση σε μαύρες τρύπες ή ισχυρά μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων, καθώς και οι δυαδικές συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων που είναι γνωστό ότι είναι ισχυροί εκπομποί βαρυτικών κυμάτων», δήλωσε ο Murase.
«Αυτά τα βίαια κοσμικά φαινόμενα μπορούν επίσης να τροφοδοτήσουν εκρήξεις ακτίνων γάμμα που είναι από τις πιο ενεργητικές εκρήξεις στο σύμπαν. Μια συνεισφορά από αυτές τις πηγές θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην εξήγηση μιας πιθανής διαφοράς που παρατηρείται μεταξύ του βόρειου και του νότιου ουρανού στο φάσμα κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας. Εάν οι εξαιρετικά βαρείς πυρήνες συμβάλλουν σημαντικά στο υψηλότερο επίπεδο «Εργείες, μελλοντικά δεδομένα θα πρέπει να υποδεικνύουν μια σύνθεση βαρύτερη από τον σίδηρο».
Ο Murase είπε ότι τα μελλοντικά αστεροσκοπεία, συμπεριλαμβανομένου του προτεινόμενου έργου AugerPrime στην Αργεντινή και του Παγκόσμιου Παρατηρητηρίου Κοσμικών Ακτίνων, μπορεί να είναι σε θέση να ελέγξουν αυτές τις προβλέψεις. Πρόσθετες μελέτες για μαύρες τρύπες και ισχυρά μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα από πού προέρχονται αυτές οι εξαιρετικές κοσμικές ακτίνες.
www.worldenergynews.gr
