Αστρονόμοι ανίχνευσαν τις πιο υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ

Μετά από μια δεκαετία σχολαστικής συλλογής δεδομένων, οι επιστήμονες του παρατηρητηρίου H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), που σημαίνει «Στερεοσκοπικό Σύστημα Υψηλής Ενέργειας» και βρίσκεται στη Ναμίμπια, έκαναν μια πρωτοποριακή ανακάλυψη. Εντόπισαν τα πιο ενεργητικά κοσμικά ηλεκτρόνια που έχουν παρατηρηθεί ποτέ, ανοίγοντας νέους δρόμους στην κατανόηση του Σύμπαντος.

Οι κοσμικές ακτίνες, που αναφέρθηκαν για πρώτη φορά το 1912 από τον Αυστριακό φυσικό Victor Hess, ανακαλύφθηκαν μετά από μια σειρά αναβάσεων με αερόστατα που σκοπό είχαν να εξερευνήσουν την ιονίζουσα ακτινοβολία, η οποία ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά σε ένα ηλεκτροσκόπιο. Ωστόσο, αφού έφτασε σε υψόμετρο 5.300 μέτρων, ο Hess αποκάλυψε μια φυσική πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας από το Διάστημα. Σήμερα, ονομάζουμε αυτά τα σωματίδια κοσμικές ακτίνες.

Τώρα, οι ερευνητές του H.E.S.S. είναι ενθουσιασμένοι επειδή εντόπισαν τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια με την υψηλότερη ενέργεια μέχρι σήμερα (ένα ποζιτρόνιο είναι κάτι σαν το «αντίθετο» του ηλεκτρονίου επειδή έχει τη μάζα ενός ηλεκτρονίου, αλλά είναι θετικά φορτισμένο όπως ένα πρωτόνιο), τα οποία αποτελούν ένα συστατικό της κοσμικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Το εύρημα είναι συναρπαστικό επειδή παρέχει απτές αποδείξεις ακραίων κοσμικών διεργασιών που απελευθερώνουν κολοσσιαία ποσά ενέργειας.

«Οι κοσμικές ακτίνες είναι ένα μυστήριο αιώνων. Η κατανόηση αυτών των κοσμικών ακτίνων μας επιτρέπει να αποκαλύψουμε τους μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων στο σύμπαν που συχνά συνδέονται με τα πιο βίαια φαινόμενα: την έκρηξη των άστρων, τα πολύ συμπαγή αντικείμενα με τεράστια βαρυτικά και ηλεκτρομαγνητικά πεδία, όπως τα αστέρια νετρονίων και τα πάλσαρ, τις κατακλυσμικές συγχωνεύσεις και τις μαύρες τρύπες», δήλωσε ο Mathieu de Naurois, ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών της Γαλλίας και αναπληρωτής διευθυντής της σύμπραξης H.E.S.S.

Το ωραίο είναι ότι, επειδή τα ηλεκτρόνια σε αυτή την ενεργειακή στάθμη χάνουν γρήγορα την ενέργειά τους, η ομάδα πιστεύει ότι πρέπει να προέρχονται από σχετικά κοντινές περιοχές. «Κοντά στο Ηλιακό μας Σύστημα, υπάρχουν πολύ αποτελεσματικοί κοσμικοί επιταχυντές ηλεκτρονίων», δήλωσε ο de Naurois. «Μέσα σε μερικές εκατοντάδες έτη φωτός, υπάρχουν πολλά αστέρια, με τα κοντινότερα να βρίσκονται συνήθως δύο έτη φωτός από τη Γη. Επομένως, θα περιμέναμε επίσης να έχουμε μερικά «νεκρά αστέρια» σε αυτή την περιοχή, όπως πάλσαρ ή υπολείμματα σουπερνόβα, τα οποία θα μπορούσαν να είναι οι πηγές αυτών των ηλεκτρονίων».

Η ανίχνευση αυτών των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας με ενέργειες αρκετών τεραηλεκτρονιοβόλτ - υψηλότερες από ό,τι μπορούν να επιτύχουν οι επιταχυντές σωματιδίων στη Γη - ήταν ιδιαίτερα δύσκολη για δύο λόγους.

Πρώτον, τα γαλαξιακά μαγνητικά πεδία αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια να παρεκκλίνουν από μια ευθεία πορεία, φτάνοντας στη Γη από φαινομενικά τυχαίες κατευθύνσεις. Δεύτερον, τα διαστημικά όργανα είναι πολύ μικρά για να συλλάβουν αρκετά από αυτά τα σωματίδια, εν μέρει λόγω της ανομοιόμορφης κατανομής της ενέργειας των σωματιδίων στο Διάστημα.

Με άλλα λόγια, οι πηγές κοσμικής ακτινοβολίας επιταχύνουν τα σωματίδια σταδιακά, με τα σωματίδια υψηλότερης ενέργειας να είναι πιο πιθανό να διαφύγουν από τα συστήματά τους. Επειδή η επίτευξη των υψηλότερων ενεργειών απαιτεί χρόνο, αυτό οδηγεί σε αφθονία σωματιδίων χαμηλής ενέργειας και σε προοδευτικά λιγότερα σωματίδια σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. «Στις υψηλές ενέργειες, η ροή της κοσμικής ακτινοβολίας πέφτει γρήγορα, πράγμα που σημαίνει ότι τα διαστημικά όργανα συλλέγουν πολύ λίγα από αυτά», εξήγησε ο de Naurois.

Από την άλλη πλευρά, όμως, τα επίγεια τηλεσκόπια που ανιχνεύουν έμμεσα τις κοσμικές ακτίνες δυσκολεύονται να διαφοροποιήσουν τα ηλεκτρόνια των κοσμικών ακτίνων από τους αμέτρητους άλλους τύπους κοσμικών ακτίνων που βομβαρδίζουν τη γήινη ατμόσφαιρα. «Το H.E.S.S., αντίθετα, έχει μια τεράστια ωφέλιμη περιοχή, καθιστώντας το ιδιαίτερα κατάλληλο για τη μελέτη του υψηλής ενέργειας τμήματος του φάσματος των ηλεκτρονίων», δήλωσε ο de Naurois.

Το παρατηρητήριο H.E.S.S., το οποίο αποτελείται από πέντε μεγάλα τηλεσκόπια που είναι διασκορπισμένα σε μια έκταση περίπου στο μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, σχεδιάστηκε για να καταγράφει ατμοσφαιρικές βροχές που εκπέμπουν ακτινοβολία Cherenkov. Η ακτινοβολία αυτή εμφανίζεται όταν σωματίδια υψηλής ενέργειας συγκρούονται με τη γήινη ατμόσφαιρα, δημιουργώντας βροχές σωματιδίων που τα τηλεσκόπια μπορούν να ανιχνεύσουν και να αναλύσουν.

Αν και ο κύριος σκοπός του είναι η ανίχνευση των ακτίνων γάμμα και η εύρεση των πηγών τους, η ομάδα επαναχρησιμοποίησε τα δεδομένα για την αναζήτηση αυτών των ηλεκτρονίων κοσμικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. «Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε εδώ βασίζεται σε μια σύγκριση pixel-by-pixel, χρησιμοποιώντας εξελιγμένη στατιστική μοντελοποίηση - συγκεκριμένα ανάλυση πιθανοφάνειας - μεταξύ ενός προ-υπολογισμένου μοντέλου και των εικόνων που καταγράφηκαν από την κάμερα», δήλωσε ο de Naurois.

Αρχικά, ο αλγόριθμος προσαρμόστηκε για την ανίχνευση ηλεκτρονίων, τα οποία διαφέρουν ελάχιστα από τις ακτίνες γάμμα. Έπρεπε επίσης να είναι σε θέση να διαφοροποιήσει τα ηλεκτρόνια από τα σήματα υποβάθρου. Και, επειδή τα ηλεκτρόνια είναι σπάνια στα δεδομένα, ο αλγόριθμος έπρεπε να προσαρμοστεί ώστε να απορρίπτει άλλα σωματίδια κοσμικής ακτινοβολίας εφαρμόζοντας αυστηρότερα κριτήρια, αλλά αυτό είχε επίσης ως αποτέλεσμα να ανιχνεύονται λιγότερα ηλεκτρόνια.

Για τη βελτίωση της ακρίβειας, «κάθε παρατήρηση του τηλεσκοπίου προσομοιώθηκε διεξοδικά, παρέχοντας μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα όργανα», δήλωσε ο de Naurois.

Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ένα απαράμιλλο σύνολο στατιστικών δεδομένων για την ανάλυση των ηλεκτρονίων των κοσμικών ακτίνων. Η ομάδα επιβεβαίωσε ότι το ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων εκτείνεται μέχρι τουλάχιστον 40 TeV, δηλαδή 400 φορές υψηλότερα από τις δυνατότητες ενεργειακής ανίχνευσης των επιταχυντών που βρίσκονται στη Γη. Ένα απότομο «σπάσιμο» στο φάσμα γύρω στο 1 TeV δείχνει ότι τα ηλεκτρόνια αυτής της ενέργειας χάνουν γρήγορα ενέργεια μέσα στον Γαλαξία μας, γεγονός που υποδηλώνει, όπως δήλωσε ο de Naurois, ότι προέρχονται από σχετικά κοντινές πηγές.

Η οξύτητα αυτής της ρήξης υποδηλώνει ότι μόνο λίγες, ή ενδεχομένως μόνο μία, κοσμική πηγή είναι υπεύθυνη για αυτά τα ηλεκτρόνια. Αν εμπλέκονταν πολλαπλές πηγές, το φάσμα θα ήταν πιο ομαλό, με διαλείψεις που θα εμφανίζονταν σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα. Οι καλύτεροι υποψήφιοι είναι σχετικά παλιά σουπερνόβα ή ισχυροί αστρικοί άνεμοι από αστέρια WR [οι γυμνοί πυρήνες αρχικά ογκωδών άστρων των οποίων το αρχικό περίβλημα πλούσιο σε υδρογόνο έχει αφαιρεθεί από τους αστρικούς ανέμους], αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανότητες που δεν μπορούμε να αποκλείσουμε.

Η ομάδα λέει ότι η ανάλυσή της όχι μόνο παρέχει κρίσιμα δεδομένα, αλλά και στοιχεία που θα λειτουργήσουν ως σημείο αναφοράς για μελλοντικές μελέτες.

[via]