Εμείς οι επιστήμονες αγαπούμε τα μυστήρια... Η επίλυση ενός μυστηρίου της φύσης είναι μια μοναδική ευκαιρία να μάθουμε κάτι νέο για το σύμπαν. Οι κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας είναι ένα σαγηνευτικό μυστήριο. Κάτι εκεί έξω στο σύμπαν - κανείς δεν ξέρει τι ακριβώς - εκτοξεύει απίστευτα υψηλής ενέργειας σωματίδια, που φτάνουν εδώ στη Γη αφού κατακλύσουν πρώτα το ηλιακό μας σύστημα αλλά και ολόκληρο το Γαλαξία.
Μήπως τα σωματίδια αυτά προέρχονται από κάποια άγνωστη super κοσμική έκρηξη; Μήπως από μια τεράστια μαύρη τρύπα που αδηφάγα καταβροχθίζει αστέρες; Ή μήπως προέρχονται από αέναες “μάχες” συγκρουόμενων γαλαξιών; Δεν γνωρίζουμε ακόμη τις ακριβείς απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα, αλλά ξέρουμε ότι η επίλυση αυτού του μυστηρίου θα οδηγήσει τους επιστήμονες και την ανθρωπότητα κατ′ επέκταση, ένα βήμα μπροστά προς την κατεύθυνση της κατανόησης των θαυμάτων του σύμπαντος και της θέσης μας μέσα σε αυτό.
Οι κοσμικές ακτίνες είναι θραύσματα ατόμων που κατακλύζουν τη Γη σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Σαν μια κοσμική βροχή, ή ένα“ντους” από σωματίδια υψηλής ενέργειας και τεράστιας ταχύτητας ξεχύνονται σαν καταρράχτης με την μορφή ενεργειακών κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα της γης αγγίζοντας την επιφάνειά της. Οι περισσότερες κοσμικές ακτίνες είναι ατομικοί πυρήνες: οι περισσότεροι είναι πυρήνες υδρογόνου, μερικοί πυρήνες ηλίου και οι υπόλοιποι βαρύτερα στοιχεία. Παρόλο που πολλές από τις κοσμικές ακτίνες χαμηλής ενέργειας προέρχονται από τον ήλιο μας, η πηγή των κοσμικών ακτίνων με την υψηλότερη ενέργεια εικάζεται ότι είναι μακρινές εκρήξεις αστέρων (supernova) ή πυρήνες ενεργειακών γαλαξιών (δηλαδή η περιοχή των μαύρων τρυπών που βρίσκονται στις καρδιές των γαλαξιών).
Τι είναι οι κοσμικές ακτίνες;
Οι λεγόμενες “κοσμικές ακτίνες” δεν είναι κάτι άλλο παρά γρήγορα κινούμενα σωματίδια από το διάστημα που βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη από όλες τις κατευθύνσεις. Φανταστείτε έναν ουράνιο καταρράκτη ή μια κοσμική βροχή (αγγλικά: cosmic-ray shower) από μικροσκοπικά σωματίδια (που δεν τα βλέπει το γυμνό μάτι) που κατακλύζουν την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της γης. Κατά χιλιάδες οι κοσμικές ακτίνες διαπερνούν τα σώμα μας κάθε λεπτό. Η ακτινοβολία τους όμως είναι πολύ μικρή αλλά και ακίνδυνη σε σχέση με τη φυσική ακτινοβολία υποβάθρου που οφείλεται σε διάφορες άλλες επίγειες πηγές.
Οι κοσμικές ακτίνες ανακαλύφθηκαν ήδη από το 1912 από τον αυστριακό Βίκτορ Χες. Από τότε λεπτομερείς διαφορές στις μετρήσιμες ποσότητες των κοσμικών ακτίνων με τη βοήθεια διαφόρων ειδών ανιχνευτών και παρατηρητηρίων ανά τον κόσμο, επίγεια και εναέρια, μπορούν να μας πουν πολλά για τις μακρινές πηγές προέλευσης τους, αλλά και το μακρινό τους ταξίδι στο σύμπαν. Συγκεκριμένα περίπου το 90% των πυρήνων κοσμικής ακτινοβολίας είναι υδρογόνο (πρωτόνια), περίπου 9% είναι ήλιο (άλφα-σωματίδια) και όλα τα υπόλοιπα στοιχεία αποτελούν μόνο το 1% αυτών. Ακόμη και σε αυτό το 1% υπάρχουν πολύ σπάνια στοιχεία και ισότοπα. Στοιχεία βαρύτερα από το σίδηρο είναι πολύ πιο σπάνια, αλλά η μέτρησή τους μας δίνει σημαντικές πληροφορίες για την κατανόηση του μηχανισμού επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων και τις πηγές προέλευσης τους.
Τα σωματίδια των κοσμικών ακτίνων ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, που σημαίνει ότι έχουν πολύ υψηλή ενέργεια. Ορισμένες ενέργειες από αυτές, στην πραγματικότητα, είναι πιο ενεργητικές από οποιαδήποτε σωματίδια παρατηρήθηκαν ποτέ στη Γη. Φανταστείτε ό,τι οι κοσμικές ακτίνες της υψηλότερης ενέργειας που έχουν παρατηρηθεί, έχουν περίπου δέκα με εκατό εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από τα σωματίδια που παράγονται στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο (CERN Ελβετίας, δείτε εδώ σχετικά).
Από πού προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες;
Τα σωματίδια κοσμικής ακτινοβολίας χαμηλής αλλά και μέτριας ενέργειας (δηλαδή, μέχρι περίπου 10 εις την 17 ηλεκτρονιοβολτς) που βομβαρδίζουν την ατμόσφαιρα μας προέρχονται από το Ηλιακό σύστημα και το δικό μας Γαλαξία. Συγκεκριμένα, τα σωματίδια μέτριας ενέργειας προέρχονται, άμεσα ή έμμεσα, από σουπερνόβα/supernovae (δηλαδή αστρικές εκρήξεις) που σηματοδοτούν τους θανάτους αστεριών (δες supernova εδώ). Στις εκρήξεις αυτές των σουπερνόβα “εκτοξεύονται” μαγνητικά πεδία από το άστρο, τα οποία μετακινούνται γρήγορα και ανακλούν τα φορτισμένα σωματίδια του αστρικού ανέμου που περιβάλλει το αστέρι, τη στιγμή της έκρηξης, αλλά και για πολύ αργότερα (έως και για 10,000 χρόνια). Μέσα από αυτή τη διαδικασία και για αυτό το χρονικό διάστημα οι πυρήνες των σωματιδίων (κοσμικών ακτίνων) κερδίζουν ενέργεια καθώς συγκρούονται με τους κινούμενους αυτούς “μαγνητικούς ανακλαστήρες”.
Κάποια χρονική στιγμή το μαγνητικό πεδίο του σουπερνόβα επιβραδύνεται απότομα, και τότε τα σωματίδια παγιδεύονται μεταξύ δύο μαγνητικών ανακλαστήρων. Φανταστείτε μια μπάλα του πινγκ-πονγκ που χτυπάει ανάμεσα σε δύο ρακέτες. Έτσι, κατά αυτόν τον τρόπο αναλογικά, και οι πυρήνες των κοσμικών ακτίνων ανακλώνται και η ενέργεια που αποκτάται σε κάθε τους ανάκλαση (σε αυτό το φανταστικό “αλληλοχτύπημα ρακετών”) αυξάνεται. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται ”επιτάχυνση μαγνητικού σοκ″ (ως σοκ εννοούμε τον ανακλαστήρα) και προτάθηκε για πρώτη φορά από τον μεγάλο Φυσικό Enrico Fermi, ως εξήγηση για την επιτάχυνση των περισσότερων κοσμικών ακτίνων στις τεράστιες ενέργειες που παρατηρούμε εδώ στη Γη (την τελευταία ιδίως δεκαπενταετία, με μεγάλα παρατηρητήρια/ανιχνευτές, όπως το διεθνές παρατηρητήριο κοσμικών ακτίνων Pierre Auger, στη Χιλή, δες σχετικά εδώ).
Να τονίσω, ότι η διαδικασία του αρχικά θεωρητικού μηχανισμού “της ανάκλασης των σωματιδίων από μαγνητικούς ανακλαστήρες” που αναφέρω απλοϊκά παραπάνω, έχει όντως παρατηρηθεί να συμβαίνει στο Ηλιακό μας σύστημα και συγκεκριμένα, στις μαγνητικές διαταραχές του ηλιακού ανέμου, και στις μαγνητόσφαιρες των πλανητών και της Γης, που παράγουν κατά κόρον κοσμικές ακτίνες χαμηλής ενέργειας. Αναλογικά, τα ισχυρότερα κινούμενα μαγνητικά πεδία (που μοιάζουν με αυτών των ηλιακών στο γαλαξία μας) και που παράγονται στις εκρήξεις των σουπερνόβα παράγουν την ενέργεια των κοσμικών ακτίνων με τις πολύ μεγαλύτερες ενέργειες που παρατηρούμε.
Μέχρι εδώ όλα καλά. Όμως, υπάρχει ένα μεγάλο όμως... Ακόμα και αυτές οι μαγνητικές ανακλάσεις που περιέγραψα παραπάνω και οι συνακόλουθες παρατηρήσεις τους, δείχνουν μέσω μαθηματικών σχέσεων ό,τι δεν είναι αρκετά ισχυρές, ώστε να επιταχύνουν κατά τον ίδιο τρόπο και τις κοσμικές ακτίνες με την ακόμα υψηλότερη ενέργεια (μέχρι και περίπου 10 εις την 21 ηλεκτρονιοβόλτς).
Για να καταλάβετε την ενέργεια αυτή σε πιο ’”χειροπιαστά” πλαίσια: Φανταστείτε, ένα σωματίδιο στο μέγεθος μιας μπάλας τένις να έρχεται κατά πάνω σας με μια ταχύτητα 160 χμ/ώρα και παραπάνω...
Μέχρι στιγμής κανείς δεν ξέρει επαρκώς την ακριβή πηγή και τον λεπτομερή μηχανισμό επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων με τις τεράστιες ενέργειες που ξεπερνούν και αυτές του CERN. Παρόλο που δεν έχουμε ακόμα επιβεβαιώσει μια συγκεκριμένη αστρική πηγή που να μπορεί να παράγει επαρκώς τέτοιες τεράστιες ενέργειες, έχουν προταθεί αρκετά μοντέλα εξήγησης και υπάρχουν και αρκετά(ελλιπή βέβαια) παρατηρησιακά δεδομένα που δείχνουν ό,τι είμαστε ...σε καλό δρόμο. Αυτά τα μοντέλα περιλαμβάνουν: Τις θερμές κηλίδες ραδιογαλαξιών (radio galaxy hot spots) και τους ενεργούς πυρήνες των γαλαξιακών πυρήνων (Active Galactic Nuclei).
Πάντως, από όπου και αν προέρχονται τα σωματίδια αυτά με την γιγαντιαία ενέργεια, έχουν καλά κρυμμένα τα μυστικά της προέλευση τους.
Το μυστήριο συνεχίζεται
Η συλλογιστική των αστροφυσικών είναι η εξής: Επειδή γνωρίζουμε ότι οι κοσμικές ακτίνες πολύ υψηλής ενέργειας, εκτρέπονται πολύ λίγο από τα μαγνητικά πεδία του γαλαξία μας - και ακόμη λιγότερο από τα πολύ ασθενέστερα πεδία του δια-γαλαξιακού χώρου – η τροχιά πολλών από αυτών πρέπει να είναι σε σχεδόν ευθεία πορεία, οπότε, θα πρέπει να μπορούμε να ″δούμε″ πίσω στην κατεύθυνση αυτών για να βρούμε την προέλευσή τους. Μέχρι στιγμής όμως, κανένα από τα παρατηρησιακά δεδομένα αυτών των υπερ-ενεργητικών κοσμικών ακτίνων δεν υποδεικνύουν επαρκώς μια συγκεκριμένη αστρική πηγή προέλευσης...
Το μυστήριο όλο και μεγαλώνει όταν συνειδητοποιήσουμε επιπρόσθετα ότι, εκτός κι αν η κοσμική πηγή των κοσμικών ακτίνων είναι αρκετά κοντά στον Γαλαξία μας (δηλαδή περίπου 100 εκατομμύρια έτη φωτός), οι αναπόφευκτες και αλλεπάλληλες συγκρούσεις των σωματιδίων με τα μικροκύματα χαμηλής ενέργειας που υπάρχουν παντού στο σύμπαν θα μείωνε τις ενέργειες τους σε μικρότερα επίπεδα και οπωσδήποτε κάτω από τις ανώτερες τιμές που μετράμε στη Γη. Συνεπώς, οι πηγές των σωματιδίων με τις τεράστιες αυτές ενέργειες πρέπει να είναι σχετικά κοντά, αλλά... από την άλλη, οι κατευθύνσεις άφιξης στηριζόμενοι στην παραπάνω συλλογιστική, δεν δείχνουν καμία γνωστή αστροφυσική πηγή. Μυστήριο, δεν συμφωνείτε;!...
Οι κοσμολόγοι από την άλλη, που μελετούν τη δομή και τη δυναμική του σύμπαντος, μας προτείνουν μια άλλη πιθανή εξήγηση για τη μυστηριώδη πηγή των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας. Παρουσιάζουν ένα σύμπαν γεμάτο από κοσμικά υπολείμματα (relics) - που έχουν απομείνει από την Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) – τα οποία είναι υποθετικά αντικείμενα που ονομάζονται τοπολογικά ελαττώματα και ονομάζονται είτε ”κοσμικές χορδές”, είτε ”τοίχοι τομέων” ή ”μονόπολα”. Παρόλο που αυτά τα παράξενα αντικείμενα ισχύουν ως μαθηματικές θεωρίες της εξέλιξης του σύμπαντος, δεν έχουμε ακόμα πειραματικά στοιχεία που να δείχνουν ότι πραγματικά υπάρχουν. Ωστόσο, εάν υπήρχαν, και αν κατέρρεαν, η κατάρρευση τους αυτή θα μπορούσε να παράγει αρκετή ενέργεια για να δημιουργήσει κοσμικές ακτίνες πολύ υψηλής ενέργειας. Αν μπορούσαμε να κάνουμε τη σύνδεση αυτή λοιπόν μεταξύ των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας και της κατάρρευσης των προαναφερόμενων τοπολογικών ελαττωμάτων, θα είχαμε τρανταχτές πειραματικές ενδείξεις που θα επιβεβαίωναν αυτά τα θεωρητικά μοντέλα καθώς θα έλυναν το μυστήριο των 100 χρόνων από την ανακάλυψη των κοσμικών ακτίνων, και ταυτόχρονα θα σημειωνόταν ένα πολύ μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για την κατανόηση του πρώιμου σύμπαντος.
Η εκστρατεία λοιπόν για τη λύση του μυστηρίου των υπερ-ενεργητικών κοσμικών ακτίνων και της κατανόησης τους σύμπαντος συνεχίζεται!
Βιβλιογραφία: