bonobo44
27.06.08, 21:51
Z czarnej dziury na ziemię
<<Weronika Śliwa2007-12-27, ostatnia aktualizacja 2007-12-27 16:13
Przemierzają miliony lat świetlnych, by uderzyć w ziemską atmosferę
i wytworzyć kaskadę miliardów cząstek wtórnych. Chociaż były znane
od dawna, o miejscu powstawania superenergetycznych cząstek
promieniowania kosmicznego dowiedzieliśmy się dopiero jesienią
ubiegłego roku.
Supermasywne czarne dziury, które odnajdziemy w centralnych
obszarach większości galaktyk, mają masy od miliona do ponad
miliarda mas Słońca. Z ich otoczenia, często wypełnionego olbrzymimi
ilościami opadającego gazu i przenikniętego polem magnetycznym, mogą
pochodzić cząstki promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach.
Ziemską atmosferę nieustannie bombarduje promieniowanie kosmiczne -
dobiegający od Słońca, pobliskich gwiazd, a także z dalekiego
kosmosu strumień cząstek elementarnych i jąder wielu pierwiastków.
Przez każdy centymetr kwadratowy ziemskiej atmosfery przechodzi w
ciągu sekundy kilka takich, niosących niewielkie energie cząstek.
Jednak przeciętnie raz na stulecie na każdy kilometr kwadratowy
ziemskiej atmosfery pada cząstka superenergetyczna. Zderza się z
atomami powietrza i wytwarza kaskadę miliardów cząstek wtórnych o
znacznie mniejszych energiach. Docierająca do powierzchni Ziemi
kaskada zajmuje obszar nawet kilkudziesięciu kilometrów kwadratowych.
Mimo że cząstką pierwotną jest zwykle pojedynczy proton lub
niewielkie jądro atomowe, jej energia jest porównywalna z energiami
obiektów makroskopowych, czyli jest miliardy miliardów razy większa
od typowych energii promieniowania kosmicznego i setki milionów razy
większa od energii osiąganej w najpotężniejszych ziemskich
akceleratorach. Pojedynczy superenergetyczny proton może mieć
energię porównywalną z energią piłeczki pingpongowej rozpędzonej do
prędkości 450 km/h!
Kosmiczna rekordzistka
Rekordową dotąd cząstkę o energii około 50 J zarejestrowano 15
października 1991 roku nad amerykańskim stanem Utah. Ochrzczona
nazwą Oh-My-God, utworzyła w atmosferze lawinę około 200 mld cząstek
wtórnych: poruszających się z podświetlnymi prędkościami elektronów,
pozytonów i ich cięższych kuzynów, mionów.
Czym była Oh-My-God? Najprawdopodobniej była jądrem pierwiastka o
masie zbliżonej do tlenu i węgla, nie można jednak wykluczyć
samotnego protonu. Jak szacują badacze, jego prędkość była tak
bliska prędkości światła, że gdyby wyruszył w drogę przez próżnię
jednocześnie z fotonem, po roku zostałby przezeń wyprzedzony o
zaledwie 46 nm - dystans zajmowany przez kilkaset ustawionych w
rządku atomów. Dla poruszającej się z tak kolosalną prędkością
cząstki czas płynął w zupełnie innym niż dla wolniejszych
obserwatorów tempie. Przemierzenie dystansu pomiędzy Słońcem a jego
najbliższą sąsiadką, Alfą Centauri, zajęło jej - w jej układzie
odniesienia - ułamki milisekund. Podróż do Galaktyki Andromedy
trwałaby dla Oh-My-God 3,5 min, a do krańców obserwowanego przez nas
Wszechświata - zaledwie 19 dni.
Skąd przyleciała do nas Oh-My-God? Choć kierunek, z którego
przybyła, udało się wyznaczyć stosunkowo dokładnie, na jego
przedłużeniu nie odnaleziono żadnych fascynujących obiektów. Tym
bardziej - obiektów bliskich. A szukając obszarów, w których mogą
się tworzyć cząstki podobne do Oh-My-God, powinniśmy się ograniczać
do niezbyt dalekiego otoczenia Galaktyki, o promieniu co najwyżej
kilkudziesięciu milionów lat świetlnych, a więc niewielkiego zakątka
obserwowanego przez nas Wszechświata.
Superenergetycznych cząstek nie więżą galaktyczne pola magnetyczne,
które tylko w niewielkim stopniu zakrzywiają tor ich lotu. Jednak w
przestrzeni międzygalaktycznej czeka na nie inna, znacznie
groźniejsza pułapka. Są nią fotony mikrofalowego promieniowania tła -
pozostałości z czasów młodego i gorącego Wszechświata. Superszybkie
cząstki, zderzając się z mikrofalowymi fotonami, szybko tracą
energię i przestają być superenergetyczne. Muszą więc przybywać ze
źródeł nie dalszych niż około 250 mln lat świetlnych, a więc ze
stosunkowo bliskich galaktyk i ich gromad.
Promienie z szoku?
Przez wiele lat fizycy rozpatrywali kilka hipotez pochodzenia
kuzynek Oh-My-God. Ich źródłami mogły być zderzające się galaktyki
lub obszary pola magnetycznego, zmieniającego kształt podczas
wybuchów gwiazd supernowych. Odbijające się między granicami takiego
szoku cząstki mogły być w nim wielokrotnie przyspieszane, a tym
samym - powoli zdobywać swoje niewiarygodne energie. W kolejnych
hipotezach rozpatrywano możliwość, zgodnie z którą
wysokoenergetyczne promieniowanie tworzyłoby się w rozpadach
supermasywnych cząstek, pozostałych po pierwszych chwilach Wielkiego
Wybuchu. A może za ich istnienie odpowiadają kosmiczne struny -
znane na razie tylko ze stron wyrafinowanych prac teoretycznych,
hipotetyczne, podstawowe obiekty, tworzące wszystkie składniki
Wszechświata?
Każda z tych hipotez może być prawdziwa. Jednak jesienią ubiegłego
roku, na łamach czasopisma "Science", zespół badaczy z aż 17 krajów
przedstawił argumenty świadczące o innym, równie fascynującym
miejscu pochodzenia tych cząstek: mają one dochodzić do Ziemi z
okolic supermasywnych czarnych dziur, znajdujących się w niezbyt
odległych galaktykach.
Wyniki badań zespołu, w którym znaleźli się również Polacy z
Uniwersytetu Łódzkiego i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie,
zostały oparte na pomiarach wykonanych w międzynarodowym Pierre
Auger Observatory. Znajdujące się w Argentynie obserwatorium zajmuje
powierzchnię aż 3 tys. km2. Na takim obszarze co 1,5 km
rozmieszczono 1600 detektorów, które rejestrują wpadające do ich
wnętrza cząstki. Dzieje się to dzięki zjawisku Czerenkowa -
rozpędzone cząstki, które wpadają w detektory wypełnione wodą,
poruszają się w niej z prędkościami większymi od prędkości światła w
wodzie, emitując przy tym charakterystyczne, błękitne światło,
wykrywane przez fotodetektory w zbiornikach.
Rejestrowane cząstki nie są bezpośrednio superenergetycznymi
promieniami, lecz członkami utworzonej z nich kaskady. Mierząc czas,
w jakim cząstki kaskady dotarły do poszczególnych detektorów, uczeni
byli w stanie ocenić, z jakiego obszaru nieba nadeszła pierwotna
cząstka. W wyznaczeniu kierunku jej ruchu pomagały dodatkowo aż 24
teleskopy, które w bezksiężycowe noce śledziły widoczną na niebie,
podobną do zorzy polarnej poświatę, pozostałą po przejściu cząstek
kaskady. Połączenie tych pomiarów pozwoliło ustalić kierunek, z
którego nadeszły najszybsze cząstki, z dokładnością 1 stopnia, czyli
kąta, jaki zajmują na niebie dwie tarcze Księżyca.
Wodne obserwatorium
Od rozpoczęcia badań w 2004 roku w obserwatorium udało się wykryć
rekordową liczbę aż 80 cząstek o wielkich energiach. Porównanie
kierunków, z których nadlatywało 27 najbardziej energetycznych z
nich, z mapą naszego kosmicznego otoczenia wykazało, że większość
nadleciała z kierunku aktywnych galaktyk, odległych o co najwyżej
180 mln lat świetlnych od Ziemi. Tego rodzaju gwiezdne skupiska
zawierają supermasywne czarne dziury, których masy miliony, a czasem
nawet miliardy razy przewyższają masę Słońca. Opadająca na czarne
dziury materia rozgrzewa się i świeci tak jasno, że otoczenie
czarnej dziury niejednokrotnie przewyższa jasnością całą goszczącą
ją galaktykę. I choć większość z opadającego na dziury gazu
bezpowrotnie w nich ginie, niewielka część materii jest niemal w
ostatniej chwili przed przekroczeniem horyzontu zdarzeń wyrzucana z
olbrzymią prędkością z otoczenia dziury. Już od jakiegoś czasu
przypuszczano, że otoczenie takich aktywnych dziur może być jednym
ze źródeł promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach. Teraz
ta hipoteza się potwierdziła, dając badaczom nie tylko wstępne
wyjaśnienie fascynującej ich od dawna zagadki, ale i potężne
narzędzie do obserwacji zjawisk
