Czym jest kosmiczny promień „ekstremalnej energii”, który uderzył w Ziemię?

Gdy materia zostanie pochłonięta przez masywne czarne dziury w centrach galaktyk, powstanie „dżetów materii poruszających się z bardzo dużą prędkością” może wytworzyć promienie kosmiczne (ilustracja). — NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán/ESA/C

• Przechwycony przez amerykański teleskop na pustyni w Utah, kosmiczny promień ogromnej energii, który uderzył w Ziemię, został zaobserwowany przez naukowców w maju 2021.
• Promień w każdej pojedynczej cząsteczce posiadał energię kinetyczną równą piłeczce tenisowej poruszającej się z prędkością 150 km/h. 
• Czym jest ten promień? Czy podane wartości są wiarygodne? Skąd się wziął? 20 Minut odpowiada na te pytania wraz z wyjaśnieniami Vincenta Tatischeffa, dyrektora badawczego w Narodowym Centrum Badań Naukowych (CNRS).

Tajemniczy promień kosmiczny, wartość energii sprawiająca, że naukowe komputery szaleją, ukazanie pomiaru z pustyni Utah… Nie, to nie zwiastun nowej modnej powieści science-fiction, lecz rzeczywistość niewidoczna gołym okiem.

Promień kosmiczny posiadający bardzo wysoki poziom energii został wykryty przez ekspertów na nieoczekiwanym poziomie: 240 trylionów elektronowoltów (albo 240 i 18 zer w elektronowoltach), ponad milion razy więcej niż energia osiągana przez niektóre akceleratory cząsteczek, jak wyjaśnia naukowe badanie dotyczące zjawiska, opublikowane 23 listopada w ostatnim wydaniu czasopisma Science. 20 Minut wprowadzi was bardzo wysoko i bardzo daleko żeby skusić do odkrycia tajemnic tego fenomenu z pomocą analizy Vincenta Tatischeffa, dyrektora badawczego CNRS.

Czym jest promień kosmiczny?

Żeby zrozumieć ten fenomen, należy spojrzeć na dwa aspekty: budowę promienia kosmicznego i jego trasę w przestrzeni. Promienie kosmiczne zawierają „naładowane cząsteczki (protony, jądra helu, jądra cięższych atomów itp.), które pochodzą z kosmosu, z przestrzeni, ale także ze Słońca. Przechadzają się w naszej galaktyce a nawet poza nią” rozjaśnia nasz ekspert. 

Niektóre docierają do Układu Słonecznego, a nawet do poziomu Ziemi, tak jak potężny promień kosmiczny wykryty w 2021 r. na pustyni w Utah i nazwany Amaterasu, od imienia słonecznego bóstwa z mitologii japońskiej. Żeby wykrywać takie zjawiska, należy posiadać „narzędzia obejmujące duże obszary zbierania danych”, jak ujawnia badanie nad Amaterasu, opublikowane w Science. Taki sprzęt był na pustyni w Utah, wraz z teleskopem Array. 

Czy podane wartości są wiarygodne?

Komputery zwariowały w 2021 r. kiedy zmierzyły, że Amaterasu był drugim ultra wysokoenergetycznym promieniem kosmicznym który kiedykolwiek zarejestrowano, zaraz za adekwatnie nazwaną Cząstką „O-mój-Boże”, wykrytą w 1991 r., jak wspomina uniwersytet w Utah.

Oprócz amerykańskiego obserwatorium istnieje jeszcze jeden detektor mierzący promienie kosmiczne: Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie. analiza obu tych instytucji kolidują ze sobą. „Oba obserwatoria wykrywają promienie kosmiczne, ale nie są zgodne co do dokładnego pomiaru ich energii”, mówi nasz specjalista. „Przepływ ultrawysokoenergetycznych jest na poziomie jednej cząsteczki na sto lat na kilometr kwadratowy detektora. Ośrodek w Utah obejmuje powierzchnię 700 kilometrów kwadratowych. Powinien więc wykrywać około 700 ultrawysokoenergetycznych promieni na sto lat”. 

Im mniejsza jest ilość energii obecnej w promieniach, tym większa jest ich wykrywalność. „W energii mamy 14 poziomów wielkości. Jeśli chodzi o przepływ, to jest ich 30. Cząsteczki mająca najmniej energii są zazwyczaj najczęstsze – kilkanaście na sekundę na centymetr kwadratowy” dopełnia nasz ekspert. 

Skąd pochodzi ten tajemniczy promień kosmiczny?

Na ten moment Amaterasu wzbudza więcej pytań niż odpowiedzi, zwłaszcza na temat swojego pochodzenia. Autorzy publikacji naukowej w Science próbowali odtworzyć źródło promienia. Bez powodzenia.

Wydedukowali jednak, że promień kosmiczny pochodzi z pewnego rodzaju pustki w kosmosie, gdzie nie zidentyfikowano ani żadnej galaktyki, ani masywnej czarnej dziury. Według naszego eksperta, do tego twierdzenia należy jednak podchodzić z ostrożnością. „Nie jesteśmy do końca pewni, z czego składał się Amaterasu, a to dałoby wskazówki na temat drogi promienia. Istnieją także rozbieżności w pomiarach jego energii. Ponadto, cząstki naładowane energią są rozpraszane przez pole magnetyczne naszej galaktyki. Nie jesteśmy jednak pewni co do struktury tego pola, a więc także kierunku, z którego pochodzi.

Inne hipotezy dotyczące pochodzenia promieni kosmicznych są sprawdzane przez naukowców. Z materią „rozproszoną” przez masywne czarne dziury w centrum galaktyk, formacja „wyrzutów energii z wielką prędkością” może produkować promienie kosmiczne. Inne wyjaśnienie: „Bardzo aktywne galaktyki posiadające wiele gwiazd, które formują się i eksplodują. Możliwe, że aktywność w tych galaktykach powoduje występowanie promieni kosmicznych o bardzo wysokiej energii” podsumowuje nasz ekspert. Jedna rzecz jest pewna. To właśnie przez odkrywanie i analizę takich promieni jak Amaterasu badacze docierają na skraj tajemnicy.