Pociski prosto z serca galaktyki

– Uczyniliśmy wielki krok naprzód w rozwiązaniu zagadki pochodzenia cząstek kosmicznych najwyższych energii – mówi prof. James Cronin z Uniwersytetu w Chicago, laureat Nagrody Nobla. Wyniki badań prowadzonych w obserwatorium Pierre Auger w Argentynie publikuje dzisiejsze wydanie prestiżowego magazynu „Science”.

Nasza planeta nieustannie jest bombardowana przez promienie kosmiczne. Są to głównie protony oraz jądra atomów pędzące z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Kiedy docierają do atmosfery, zderzają się z atomami występujących tam pierwiastków i powodują m.in. jonizację powietrza.Większość dobiegających do nas cząstek o stosunkowo niewielkich energiach pochodzi z wybuchów gwiazd supernowych. Docierają ze wszystkich kierunków z całego obszaru naszej Galaktyki – Drogi Mlecznej. – Co do tego naukowcy raczej się zgadzają – powiedziała „Rz” prof. Maria Giller z Uniwersytetu Łódzkiego, która kieruje jednym z zespołów badawczych w ramach programu „Auger”.

Kiedy proton lub jądro atomu uderza w górne warstwy atmosfery, tworzy się kaskada cząstek wtórnych. Naukowcy nazywają ją wielkim pękiem atmosferycznym, który może rozpościerać się na obszarze 40 lub więcej kilometrów kwadratowych i zawierać nawet dziesiątki miliardów cząstek wtórnych.

Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie rejestruje wielkie pęki tworzone przez promienie kosmiczne przez układ 1, 6 tys. detektorów. Rozłożone są co półtora kilometra od siebie w siatce pokrywającej obszar 3 tys. kilometrów kwadratowych. Oprócz tego 24 specjalnie zaprojektowane teleskopy obserwują emisję światła fluorescencyjnego wytwarzanego przez te pęki w atmosferze. Obserwatorium zarejestrowało już prawie milion pęków od promieni kosmicznych.

Od czasu do czasu pojawiają się jednak pędzące przez wszechświat cząstki o olbrzymiej energii. Tak wielkiej, że porównywalnej z energią piłki tenisowej lecącej z prędkością ponad 100 kilometrów na godzinę. Pochodzenie niewyobrażalnie małych kosmicznych pocisków docierających do atmosfery Ziemi wyjaśniają naukowcy z programu „Auger”. Niestety, pojawiają się stosunkowo rzadko: przeciętnie jedna cząstka na kilometr kwadratowy na 100 lat, więc aby zarejestrować pęki atmosferyczne, które wywołują, trzeba było zbudować rozległy system detektorów.

Badacze z zespołu Auger zarejestrowali 81 pęków wytworzonych przez takie kosmiczne pociski. Naukowcy określili kierunki, skąd one do nas dotarły, i okazało się, że pokrywają się z kierunkami, gdzie znajdują się tzw. aktywne jądra galaktyk pobliskich skupisk gwiazd, takich jak na przykład Centaurus A.

W artykule w „Science” przekonują, że cząstki o wysokich energiach docierają do nas dzięki istnieniu w jądrach galaktyk czarnych dziur. – Odkryliśmy, że niebo na półkuli południowej obserwowane w promieniach kosmicznych najwyższej energii jest niejednorodne. W ciągu najbliższych paru lat uda nam się zapewne wskazać dokładne miejsca ich pochodzenia i wyjaśnić mechanizm przyspieszania cząstek do wielkich energii – twierdzi prof. Cronin.

Laboratorium Auger może rejestrować około 30 cząstek wysokiej energii w ciągu roku. Aby je zarejestrować, urządzenia muszą być odpowiednio zaprogramowane. Układy elektroniczne muszą umieć rozpoznać właśnie te zjawiska. Tu ważną rolę odegrał dr hab. Zbigniew Szadkowski z Uniwersytetu Łódzkiego, który opracował odpowiednie układy elektroniczne.Zespół z Łodzi pod kierownictwem prof. Marii Giller opracowuje modele wielkich pęków atmosferycznych, pozwalające na interpretację wyników pomiarów. Druga polska grupa, z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie, którą kieruje prof. Henryk Wilczyński, zajmuje się podobnymi problemami oraz badaniami atmosfery w Argentynie i jej wpływu na wyniki pomiarów.W planach programu „Auger” jest zbudowanie większego laboratorium w stanie Kolorado w USA, tak aby można było obserwować całe niebo.

Po raz pierwszy wykryliśmy źródła promieni kosmicznych. Pokazaliśmy, że promienie kosmiczne wielkiej energii pochodzą z okolic aktywnych jąder galaktycznych - mówi prof. Maria Giller, Katedra Fizyki Doświadczalnej Instytutu Fizyki Uniwersytetu Łódzkiego

Rz: Jakie znaczenie ma wasze odkrycie?

Maria Giller: To bardzo istotne badania. Po raz pierwszy wykryliśmy źródła promieni kosmicznych. Pokazaliśmy, że promienie kosmiczne wielkiej energii pochodzą z okolic aktywnych jąder galaktycznych.

Nie ma stuprocentowego dowodu, że macie rację?

Wprawdzie wyniki, jakie uzyskaliśmy, opierają się na stosunkowo niedużej liczbie zarejestrowanych cząstek kosmicznych, ale na 99 procent jest tak, jak to przedstawiliśmy w „Science” wraz z zespołem Auger. Gotowa jestem założyć się o duże pieniądze, że za rok czy dwa będziemy mogli potwierdzić, iż miejscem ich pochodzenia są aktywne jądra galaktyk.

Czy dzięki tym badaniom wiemy więcej o czarnych dziurach?

Co prawda nie wiemy, jaki jest mechanizm powstawania promieni kosmicznych o tak wielkich energiach, ale pierwszy krok w kierunku poznania tego zjawiska już zrobiliśmy. Aktywne jądra galaktyczne są źródłem promieniowania rentgenowskiego i widzialnego. Znajdujące się w centrum galaktyk olbrzymie czarne dziury o masie miliardy razy większej niż masa Słońca pochłaniają wszystko, co znajduje się wokół. Większość galaktyk nie posiada aktywnych jąder, ale zawsze centralnym punktem galaktyki jest czarna dziura o tak wielkiej grawitacji, że nic nie może się z niej wydostać. Z okolic czarnej dziury w aktywnych galaktykach wystrzeliwane są w przestrzeń strugi materii, tzw. dżety. Podejrzewa się, że w strugach powstają fale uderzeniowe, które przyspieszają naładowane elektrycznie cząstki do wysokich energii.

Kosmos