Η ανίχνευση του «σωματιδίου Amaterasu» το 2021 από το πείραμα Telescope Array στη Γιούτα παραμένει ένα από τα πιο ακραία καταγεγραμμένα γεγονότα κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα προτείνει τώρα μια νέα, «υπερβαριά» εξήγηση για την προέλευση αυτών των μυστηριωδών σωματιδίων, υποδεικνύοντας ότι μπορεί να αποτελούνται από ατομικούς πυρήνες βαρύτερους από τον σίδηρο.
Οι κοσμικές ακτίνες είναι υποατομικά σωματίδια (κυρίως πρωτόνια και ατομικοί πυρήνες) που ταξιδεύουν στο διάστημα σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, πραγματοποιήθηκε από επιστήμονες κορυφαίων ιδρυμάτων, όπως το Πανεπιστήμιο του Κιότο, το Πανεπιστήμιο Penn State, το Virginia Tech και το Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας της Κίνας (IHEP).
Το μυστήριο της ενέργειας και των Amaterasu
Ως κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας ορίζονται εκείνες που ξεπερνούν τα 100 πεντάκις εκατομμύρια ($10^{18}$) ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Η ενέργεια αυτή είναι 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη που μπορούν να επιτύχουν οι ισχυρότεροι επίγειοι επιταχυντές, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) του CERN.
«Οι κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας μπορούν να επιταχυνθούν μόνο από μερικές από τις πιο ισχυρές πηγές στο σύμπαν», εξηγεί ο Kohta Murase, καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο Penn State και επικεφαλής της έρευνας. «Όταν ανιχνεύουμε μεμονωμένα σωματίδια στη Γη, μπορούμε συχνά να χρησιμοποιήσουμε την ενέργειά τους, την κατεύθυνση άφιξης και τις αναμενόμενες μαγνητικές αποκλίσεις για να συμπεράνουμε τις πιθανές κοσμικές πηγές τους».
Η προσομοίωση και η επιβίωση των υπερβαρέων πυρήνων
Οι αστροφυσικοί συνδέουν αυτά τα φαινόμενα με βίαια κοσμικά γεγονότα, όπως οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων ή οι εκρήξεις υπερκαινοφανών (σουπερνόβα). Για να κατανοήσει η ομάδα ποια σωματίδια μπορούν να αντέξουν ένα τέτοιο ταξίδι χωρίς να χάσουν την ενέργειά τους, πραγματοποίησε λεπτομερείς υπολογιστικές προσομοιώσεις της κίνησής τους στον μεσογαλαξιακό χώρο.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι υπερβαρείς πυρήνες χάνουν ενέργεια με πολύ βραδύτερο ρυθμό σε σύγκριση με τα μεμονωμένα πρωτόνια ή τους ελαφρύτερους πυρήνες καθώς αλληλεπιδρούν με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Αυτή η βραδύτερη απώλεια ενέργειας επιτρέπει στους βαριείς πυρήνες να διανύσουν τεράστιες κοσμικές αποστάσεις και να φτάσουν στη Γη διατηρώντας τα ακραία επίπεδα ενέργειάς τους.
«Δεν λέμε ότι όλες οι κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας είναι υπερβαρείς πυρήνες», διευκρινίζει ο Murase. «Αλλά αν ορισμένα από τα γεγονότα με την υψηλότερη ενέργεια αφορούν υπερβαρείς πυρήνες, αυτό αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο αναζητούμε τις πηγές τους».
Πιθανές κοσμικές πηγές και μελλοντική έρευνα
Η κατεύθυνση από την οποία έφτασε το σωματίδιο Amaterasu οδηγεί σε ένα κοσμικό κενό (void), μια περιοχή του διαστήματος χωρίς προφανείς γαλαξίες ή γνωστά βίαια φαινόμενα. Ωστόσο, η υπόθεση των υπερβαρέων πυρήνων στρέφει το ενδιαφέρον των επιστημόνων προς συγκεκριμένες πηγές:
-
Εκρήξεις μεγάλων αστέρων που καταρρέουν σε μαύρες τρύπες.
-
Αστέρες νετρονίων με εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία (magnetars).
-
Συγχωνεύσεις διπλών συστημάτων αστέρων νετρονίων, οι οποίες αποτελούν και ισχυρές πηγές βαρυτικών κυμάτων.
Αυτά τα φαινόμενα τροφοδοτούν επίσης τις εκλάμψεις ακτίνων γάμμα (GRBs), τις πιο ισχυρές εκρήξεις στο σύμπαν. Επιπλέον, η παρουσία βαρέων στοιχείων θα μπορούσε να εξηγήσει τις αποκλίσεις που παρατηρούνται στο φάσμα των κοσμικών ακτίνων μεταξύ του βόρειου και του νότιου ημισφαιρίου της Γης.
Η ερευνητική ομάδα ευελπιστεί να επιβεβαιώσει τα μοντέλα της χρησιμοποιώντας παρατηρητήρια επόμενης γενιάς, όπως το προτεινόμενο AugerPrime στην Αργεντινή και το Παγκόσμιο Παρατηρητήριο Κοσμικών Ακτίνων (Global Cosmic Ray Observatory). Παράλληλα, οι θεωρητικές μελέτες γύρω από τις εκρήξεις μαύρων τρυπών αναμένεται να ρίξουν περισσότερο φως στην προέλευση αυτών των σωματιδίων.
