Zdjęcie w tle: Webb Space Telescope
Ziemia jest stale bombardowana przez tajemnicze cząstki o ogromnej energii. Pochodzą one z głębi kosmosu i poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Zjawisko to nazywane jest promieniowaniem kosmicznym, a mechanizm jego powstawania już od ponad 100 lat stanowi dla naukowców zagadkę.
Ziemia bombardowana przez cząstki promieniowania kosmicznego.
Czym jest promieniowanie kosmiczne?
Promieniowanie kosmiczne to strumienie wysokoenergetycznych cząstek, pochodzących z odległych części kosmosu. Zostały one odkryte na początku dwudziestego wieku, a określenie „promieniowanie kosmiczne” wprowadził fizyk Robert Millikan w 1925 roku. Zdecydowana większość cząstek promieniowania kosmicznego jest blokowana przez ziemską magnetosferę i atmosferę, jednak jest ich ogromna ilość. Każdego dnia więc biliony z nich docierają do powierzchni Ziemi. Ponad 90% cząstek stanowią jądra wodoru, czyli pojedyncze protony, 9% to jądra helu, a pozostały 1% stanowią jądra ciężkich pierwiastków. Składają się one z hadronów (protonów i neutronów), które zbudowane są z cząstek elementarnych zwanych kwarkami. W skład promieniowania kosmicznego wchodzą także elektrony i pozytrony, a niektórzy uwzględniają także fotony i neutrina.
W jaki sposób promienie kosmiczne uzyskują energię?
Aby móc poruszać się z prędkościami bliskimi prędkości światła, cząstki promieniowania kosmicznego muszą posiadać mnóstwo energii. Wszechświat potrafi nadać im energię wynoszącą nawet do 1020eV, podczas gdy wybudowane przez człowieka akceleratory, takie jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN, są w stanie osiągnąć co najwyżej 1013eV. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć, w jaki sposób promienie kosmiczne uzyskują tak olbrzymią energię.
Jedna z hipotez na ten temat głosi, że gdy pędząca cząstka uderza w poruszający się z dużo mniejszą prędkością ośrodek, powstaje turbulentne pole magnetyczne. Może ono działać jak kosmiczny akcelerator cząstek i w odpowiednich warunkach posiadać ogromną moc. Osiągnięcie takich warunków jest możliwe podczas supernowej, czyli wybuchu następującego po śmierci masywnej gwiazdy. Jej zewnętrzne warstwy są wówczas wyrzucane z ogromną prędkością, a następnie uderzają w ośrodek międzygwiazdowy, czyli poruszające się wolno obłoki gazu. W ten sposób cząstki mogą uzyskać energię ok. 109-1012 eV. Supernowe stanowią możliwe źródło promieniowania kosmicznego pochodzącego z Drogi Mlecznej, lecz cząstki o wyższych energiach rzędu 1020 eV muszą z całą pewnością pochodzić z innych galaktyk.
Jednym z możliwych źródeł takich cząstek są aktywne jądra galaktyk AGN, w których znajdują się supermasywne czarne dziury o masach miliony lub miliardy razy większych od masy Słońca. Są one otoczone materią, którą stopniowo się żywią, zasilając tym samym jądra galaktyk. Materia ta wiruje pod wpływem ogromnego wpływu grawitacyjnego i świeci jaśniej od otaczających ją gwiazd. Materia, która nie jest doprowadzana do centralnej części czarnej dziury, może zostać skierowana na jej bieguny, skąd zostaje wyrzucona w postaci strumieni materii z prędkością bliską prędkości światła. Kiedy taka wypluta materia uderzy w materię międzygwiazdową, mogą powstać promienie kosmiczne o olbrzymiej energii. Jeszcze innym źródłem promieniowania kosmicznego mogą być takie galaktyki, w których proces formowania się gwiazd zachodzi wyjątkowo szybko, czemu towarzyszą rozbłyski gamma.
Ilustracja przedstawiająca artystyczną wizję wybuchu z rozbłyskami gamma.
Dlaczego badanie promieniowania kosmicznego jest trudne?
Skoro powstawanie promieniowania kosmicznego towarzyszy najbardziej gwałtownym i spektakularnym wydarzeniom we Wszechświecie, dlaczego naukowcy mają problemy z badaniem jego źródeł?
Jednym z powodów jest fakt, że zdecydowana większość cząstek promieniowania kosmicznego posiada ładunek elektryczny. To powoduje, że mają one zdolność oddziaływania z polem magnetycznym. Podczas swej długiej podróży promienie kosmiczne wielokrotnie poddawane są działaniu takiego pola, przez co zmieniają kierunek ruchu. To czyni odtworzenie przebytej przez nie drogi niemal niemożliwym. Istnieje jednak inny, pośredni sposób, aby poznać pochodzenie cząstek promieniowania kosmicznego.
Gdy promienie kosmiczne wchodzą w interakcję z gazem, powstają fotony i neutrony. Są to neutralne cząstki, które przemierzają Wszechświat bez żadnych przeszkód. Zamiast więc bezpośrednio badać promienie kosmiczne, można badać wyprodukowane przez nie neutralne cząstki. Być może stworzenie dokładnych modeli 3D opartych na wynikach pomiarów neutrin i fotonów wyemitowanych w wyniku interakcji promieniowania kosmicznego z gazem pozwoliłoby w przyszłości zrozumieć pochodzenie promieni kosmicznych.
Korekta – Zofia Lamęcka
