Το μυστηριώδες σωματίδιο «Amaterasu» ενδέχεται να μην είναι καν πρωτόνιο. Νέα έρευνα υποδηλώνει ότι ορισμένες από τις πιο ακραίες κοσμικές ακτίνες θα μπορούσαν να είναι υπερβαρείς πυρήνες ατόμων, βαρύτεροι από τον σίδηρο, οι οποίοι είναι πιο ικανοί να διατηρούν την ενέργειά τους καθώς ταξιδεύουν στο διάστημα.
Αυτή η ιδέα θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα σπάνια σωματίδια φτάνουν στη Γη και να προσφέρει νέα στοιχεία για τις ισχυρές κοσμικές εκρήξεις που τα δημιουργούν.
Ένα υπερβαρύ σωματίδιο ίσως βοηθήσει στην εξήγηση ενός από τα πιο μπερδεμένα μυστήρια της σύγχρονης αστροφυσικής: την προέλευση των πιο ενεργών σωματιδίων που έχουν ανιχνευθεί ποτέ.
Οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι σωματίδια από το διάστημα που προσκρούουν στη Γη με ενέργειες που ξεπερνούν κατά πολύ οτιδήποτε παράγεται από τους επιταχυντές σωματιδίων που έχει κατασκευάσει ο άνθρωπος.
Ανάμεσα στα πιο αξιοσημείωτα παραδείγματα είναι το «σωματίδιο Amaterasu», το οποίο ανιχνεύθηκε από το Telescope Array στη Γιούτα το 2021 και πήρε το όνομά του από τη θεά του ήλιου στην ιαπωνική μυθολογία.
Η ενέργεια που καταγράφηκε το κατατάσσει ανάμεσα στα πιο ισχυρά γεγονότα κοσμικών ακτίνων που έχουν παρατηρηθεί ποτέ, τοποθετώντας το στην ίδια σπάνια κατηγορία με το «σωματίδιο Oh-My-God» που καταγράφηκε το 1991.
Ωστόσο, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην γνωρίζουν από πού προήλθε, ή έστω τι ακριβώς ήταν.
Υπερβαρείς κοσμικές ακτίνες
Μια νέα έρευνα, με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Penn State και δημοσιευμένη στο περιοδικό Physical Review Letters, υποδηλώνει ότι ορισμένες από τις κοσμικές ακτίνες με την υψηλότερη ενέργεια ενδέχεται να είναι ατομικοί πυρήνες βαρύτεροι από τον σίδηρο.
Οι ατομικοί πυρήνες είναι τα συμπαγή κέντρα των ατόμων, αποτελούμενα από πρωτόνια και νετρόνια. Συγκρατούν σχεδόν όλη τη μάζα ενός ατόμου, ενώ καταλαμβάνουν μόνο ένα ελάχιστο μέρος του συνολικού του όγκου.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ομάδας, αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες ενδέχεται να χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους ελαφρύτερους πυρήνες κατά τη διάσχιση του μεσογαλαξιακού χώρου. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν να επιβιώσουν από το ταξίδι προς τη Γη, διατηρώντας ακόμα ακραία ποσά ενέργειας.
Η εργασία αυτή, η οποία πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με ερευνητές από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Yukawa στην Ιαπωνία, το πανεπιστήμιο Virginia Tech και άλλα ιδρύματα, ενδέχεται να βοηθήσει τους επιστήμονες να προσδιορίσουν τους τύπους των κοσμικών αντικειμένων που είναι αρκετά ισχυρά ώστε να εκτοξεύσουν 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, αστρονομίας και αστροφυσικής στο Κολέγιο Επιστημών Eberly του Penn State 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 αποκλίσεις για να συμπεράνουμε τις πιθανές κοσμικές πηγές τους».
Το μυστήριο του σωματιδίου Amaterasu
Το σωματίδιο Amaterasu ήταν ιδιαίτερα δύσκολο να εξηγηθεί επειδή η εκτιμώμενη κατεύθυνση άφιξής του εντοπίζεται πίσω σε ένα κοσμικό κενό, μια περιοχή του διαστήματος χωρίς καμία προφανή πηγή ικανή να παράγει κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
«Η προέλευση και οι μηχανισμοί επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας αποτελούν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στον τομέα αυτό για περισσότερα από 60 χρόνια, από τότε που αναφέρθηκε το πρώτο παράδειγμα», δήλωσε ο Murase. Αυτά τα σπάνια σωματίδια μπορούν να ξεπεράσουν τα 100 exa-electron volts (exa-ηλεκτρονιοβόλτ), ή 100 πεντάκις εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ.
Αυτό τα καθιστά περίπου επτά τάξεις μεγέθους, ή 10 εκατομμύρια φορές, πιο ενεργά από τα σωματίδια που επιταχύνονται μέσα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), τον μεγαλύτερο και ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο.
Το σωματίδιο Amaterasu καταγράφηκε στα 240 περίπου exa-electron volts, προσδίδοντας σε ένα και μόνο μικροσκοπικό σωματίδιο κοσμικής ακτίνας περίπου την κινητική ενέργεια που έχει ένα μπαλάκι του τένις που κινείται με μεγάλη ταχύτητα. Αυτό το καθιστά μία από τις πιο ενεργές κοσμικές ακτίνες που έχουν ανιχνευθεί ποτέ.
«Αυτές οι κοσμικές ακτίνες της υψηλότερης ενέργειας πιστεύεται ότι προέρχονται από ακραίες αστροφυσικές πηγές, όπως η σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων ή η κατάρρευση ενός αστέρα μεγάλης μάζας», δήλωσε ο Murase.
«Για πολλά γεγονότα κοσμικών ακτίνων που εξετάζονται μαζί, η κατανομή της ενέργειάς τους, το μοτίβο της κατεύθυνσης άφιξής τους και η στατιστικά συναγόμενη σύστασή τους παρέχουν σημαντικά στοιχεία για το από πού προέρχονται αυτά τα σωματίδια και πώς επιταχύνονται».
Προσομοίωση ακραίων σωματιδίων
Για να διερευνήσουν τι είδους σωματίδια θα μπορούσαν να φτάσουν στη Γη με τόσο εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, οι ερευνητές πραγματοποίησαν λεπτομερείς προσομοιώσεις σε υπολογιστές. Μοντελοποίησαν τον τρόπο με τον οποίο σωματίδια διαφορετικών μεγεθών κερδίζουν ή χάνουν ενέργεια καθώς ταξιδεύουν στον μεσογαλαξιακό χώρο.
«Η έρευνά μας έδειξε ότι σε ενέργειες συγκρίσιμες με εκείνη του σωματιδίου Amaterasu, οι υπερβαρείς πυρήνες χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους πυρήνες ενδιάμεσης μάζας, γεγονός που τους καθιστά πιο ικανούς να επιβιώσουν σε κοσμικές αποστάσεις και να φτάσουν στη Γη με ακραίες ενέργειες», δήλωσε ο Murase.
«Δεν λέμε ότι όλες οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι υπερβαρείς πυρήνες. Αλλά αν ορισμένα από τα γεγονότα με την υψηλότερη ενέργεια αφορούν υπερβαρείς πυρήνες, αυτό θα επηρέαζε τον τρόπο με τον οποίο αναζητούμε τις πηγές τους».
Οι υπολογισμοί της ομάδας έθεσαν επίσης νέα όρια στο πόσο αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες ενδέχεται να συμβάλλουν στον συνολικό πληθυσμό των παρατηρούμενων κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
Βίαιες κοσμικές προελεύσεις
«Οι πιο υποσχόμενες τοποθεσίες για την παραγωγή και την επιτάχυνση τέτοιων υπερβαρών πυρήνων είναι οι θάνατοι αστέρων μεγάλης μάζας που περιλαμβάνουν εκρηκτική κατάρρευση σε μαύρες τρύπες ή σε ισχυρά μαγνητισμένους αστέρες νετρονίων, καθώς και οι συγχωνεύσεις διπλών αστέρων νετρονίων που είναι γνωστό ότι αποτελούν ισχυρές πηγές εκπομπής βαρυτικών κυμάτων», δήλωσε ο Murase. «Αυτά τα βίαια κοσμικά φαινόμενα μπορούν επίσης να τροφοδοτήσουν εκλάμψεις ακτίνων γάμμα, οι οποίες συγκαταλέγονται στις πιο ενεργές εκρήξεις στο σύμπαν.
Μια συνεισφορά από αυτές τις πηγές θα μπορούσε επιπλέον να βοηθήσει στην εξήγηση μιας πιθανής διαφοράς που παρατηρείται μεταξύ του βόρειου και του νότιου ουρανού στο φάσμα των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας. Εάν οι υπερβαρείς πυρήνες συνεισφέρουν σημαντικά στις υψηλότερες ενέργειες, τα μελλοντικά δεδομένα θα πρέπει να υποδεικνύουν μια σύσταση βαρύτερη από τον σίδηρο».
«Μελλοντικά αστεροσκοπεία ίσως είναι σε θέση να ελέγξουν αυτές τις ιδέες. Ο Murase δήλωσε ότι οι εγκαταστάσεις επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων του προτεινόμενου AugerPrime στην Αργεντινή και του προτεινόμενου Παγκόσμιου Αστεροσκοπείου Κοσμικών Ακτίνων (Global Cosmic Ray Observatory), θα μπορούσαν να αναζητήσουν τα προβλεπόμενα αποτυπώματα.
Επιπλέον θεωρητική εργασία πάνω σε κοσμικές εκρήξεις που περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες και ισχυρά μαγνητισμένους αστέρες νετρονίων ενδέχεται επίσης να βοηθήσει στην αποκάλυψη του τόπου γέννησης των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας».
Μαζί με τον Murase, η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε τον B. Theodore Zhang, μεταδιδακτορικό ερευνητή στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Yukawa του Πανεπιστημίου του Κιότο κατά τον χρόνο της έρευνας και πρώην μεταδιδακτορικό ερευνητή στο Penn State.
Τον Mukul Bhattacharya, υπότροφο μεταδιδακτορικό ερευνητή (Eberly Postdoctoral Fellow) στο Penn State κατά τον χρόνο της έρευνας, καθώς και τους Nick Ekanger και Shunsaku Horiuchi, οι οποίοι βρίσκονταν στο πανεπιστήμιο Virginia Tech κατά τον χρόνο της έρευνας.
