Z odległych galaktyk!
28 września 2017
Szkic wielkiego pęku atmosferycznego oraz wodny detektor czerenkowski Obserwatorium Pierre Auger w zachodniej Argentynie (A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret)
W artykule, który został opublikowany w czasopiśmie Science w dniu 22 września br, Współpraca Pierre Auger przedstawiła obserwacyjne dowody świadczące o tym, że promienie kosmiczne o energiach milion razy większych od protonów przyspieszanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów pochodzą z odległości znacznie większych niż rozmiar naszej Galaktyki. Od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy eksperymentalnie potwierdzono istnienie cząstek promieni kosmicznych o energiach kilku dżuli (1 dżul = ~ 6 x 1018 eV), spekulowano, że takie cząstki mogłyby powstawać w odległych obiektach pozagalaktycznych. Ta pięćdziesięcioletnia tajemnica została rozwiązana za pomocą kosmicznych cząstek o średniej energii dwóch dżuli, zarejestrowanych w największym z dotychczasowych obserwatoriów promieni kosmicznych – Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie. Stwierdzono, że przy tych energiach natężenie promieniowania kosmicznego jest o ok. 6% większe po jednej stronie nieba niż z przeciwnego kierunku, a obszar największej nadwyżki leży w odległości kątowej 120° od kierunku do centrum Galaktyki.
Zdaniem profesora Karla-Heinza Kamperta (Uniwersytet w Wuppertalu), lidera Współpracy Pierre Auger, w której uczestniczy ponad 400 naukowców z 18 krajów, „jesteśmy teraz znacznie bliżej odpowiedzi na pytanie, które nurtowało astrofizyków: gdzie i jak te niezwykłe cząstki powstają. Nasze obserwacje dostarczają przekonujących dowodów na to, że miejsca przyspieszania znajdują się poza Drogą Mleczną”. Profesor Alan Watson (Uniwersytet w Leeds), jeden z pierwszych liderów projektu, uważa ten wynik za „jeden z najbardziej ekscytujących spośród dotychczas uzyskanych, odpowiadający na jedno z pytań, które były motywacją dla pomysłu budowy Obserwatorium, zapoczątkowanego przez Jima Cronina i mnie ponad 25 lat temu”.
Promienie kosmiczne są to jądra pierwiastków od wodoru (pojedynczy proton) do żelaza. Powyżej dwóch dżuli ich częstość przybywania do górnych warstw atmosfery wynosi zaledwie około jeden na kilometr kwadratowy na rok, co odpowiada jednej cząstce trafiającej w obszar boiska piłkarskiego około raz na stulecie. Tak niecodzienne cząstki są wykrywalne, ponieważ poprzez kolejne oddziaływania z jądrami w atmosferze inicjują one powstawanie wielkich pęków cząstek wtórnych, takich jak elektrony, fotony i miony. Pęki te mają kształt cienkiego dysku, podobnego do talerza o średnicy sięgającej kilku kilometrów i przechodzą one przez atmosferę, poruszając się z prędkością światła. Mogą one liczyć ponad dziesięć miliardów cząstek, a w Obserwatorium Pierre Auger wykrywane są za pomocą światła Czerenkowa, które wytwarzają w kilku spośród 1600 detektorów. Każdy z tych detektorów zawiera 12 ton wody, a są one rozstawione w zachodniej Argentynie na obszarze 3000 km2, czyli terytorium równym powierzchni koła o średnicy ponad 60 km. Czasy dotarcia cząstek do detektorów, mierzone przy pomocy odbiorników GPS, są używane do określenia kierunków przylotu cząstek inicjujących pęki z dokładnością do ok. 1°.
Badając rozkład kierunków przybycia ponad 30000 cząstek promieni kosmicznych, Współpraca Pierre Auger odkryła anizotropię, o znaczącości na poziomie 5,2 odchyleń standardowych (szanse zdarzenia losowego około dwóch na dziesięć milionów), w kierunku, w którym gęstość rozkładu galaktyk jest stosunkowo wysoka. Choć odkrycie to wyraźnie wskazuje na pozagalaktyczne pochodzenie cząstek, faktyczne ich źródła nie zostały jeszcze zidentyfikowane. Kierunek nadwyżki wskazuje na rozległy obszar nieba, a nie na konkretne źródła, gdyż cząstki nawet o tak wysokich energiach są odchylane o kilkadziesiąt stopni w polu magnetycznym naszej Galaktyki. Kierunek ten jednak nie może być powiązany z przypuszczalnymi źródłami w płaszczyźnie lub w centrum naszej Galaktyki dla żadnej realistycznej konfiguracji pola magnetycznego Galaktyki.
Istnieją promienie kosmiczne o jeszcze większych energiach niż większość użytych w tym badaniu, niektóre nawet z energią kinetyczną piłki tenisowej uderzonej przez zawodowego gracza. Ponieważ odchylenie takich cząstek w polach magnetycznych jest mniejsze, ich kierunki przylotu powinny wskazywać dokładniej miejsca ich powstawania. Te promienie kosmiczne zdarzają się jeszcze rzadziej – ciągle trwają dalsze badania, wykorzystujące te rzadkie cząstki do określenia, które obiekty pozagalaktyczne są ich źródłami. Znajomość natury tych cząstek pomoże w identyfikacji ich źródeł, a praca nad tym problemem jest jednym z celów rozbudowy Obserwatorium Pierre Auger, która ma zostać zakończona w 2018 roku.
Publikacja: “Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV”, Science 57 (2017) 1266-1270