Jak dotąd rekordową cząstką tego typu jest cząstka zarejestrowana w 1991 roku. Jej energia była dla naukowców takim szokiem, że niemal natychmiast nazwano ją cząstką “o mój boże!”. Naukowcom udało się ustalić energię owej cząstki na 320 trylionów elektronowoltów, inaczej mówiąc 320 eksaelektronowoltów.
Od 1991 roku mimo intensywnie prowadzonych obserwacji nie udało się zarejestrować cząstki o nawet zbliżonej energii. Owszem, w ciągu trzech dekad udało się zarejestrować około trzydziestu bardzo energetycznych cząstek, ale żadna z nich nawet nie zbliżyła się do poziomu cząstki “o mój boże!”. Aż do teraz.
Jak donosi zespół naukowców w artykule opublikowanym w periodyku naukowym Science z 24 listopada, dwa lata temu, w 2021 roku w trakcie obserwacji prowadzonych za pomocą teleskopów Telescope Array w Utah udało się zarejestrować cząstkę o energii porównywalnej z tą sprzed trzech dekad. Nie jest to nowa rekordzistka, wszak jej energia wynosiła około 240 eksaelektronowoltów, ale przynajmniej jest to cząstka o energii tego samego rzędu. Co jednak zdecydowanie najciekawsze, mimo trzydziestu lat rozwoju naszej wiedzy naukowej, naukowcy wciąż nie są w stanie zidentyfikować źródła tak energetycznych cząstek.
Czytaj także: Skąd promieniowanie kosmiczne w Drodze Mlecznej? Naukowcy szukają jego źródeł
Co do zasady, promienie kosmiczne regularnie rejestrowane na powierzchni Ziemi składają się z protonów i jąder atomowych mknących przez przestrzeń kosmiczną czasami z mniejszą, czasami z większą ilością energii. W przypadku wyższych energii jednak robi się niezwykle ciekawie. Szacuje się, że cząstki, których energia przekracza 100 eksaelektronowoltów spadają na Ziemię z częstotliwością rzędu jednej cząstki na kilometr kwadratowy powierzchni Ziemi na stulecie. Jeżeli podniesiemy granicę do 200 eksaelektronowoltów, to mamy ich jeszcze mniej — dotychczas udało się ich odkryć zaledwie kilka.
O tym, że promień kosmiczny dotarł na Ziemię, dowiadujemy się pośrednio. Gdy dochodzi do uderzenia takiego promienia w jądro atomu w górnych warstwach atmosfery, wyzwala kaskadę innych cząstek, które można wykryć na powierzchni Ziemi. Wykrycie takiej kaskady nie jest jednak wcale takie proste. Aby zwiększyć szanse zarejestrowania kaskady w atmosferze Ziemi, naukowcy budują całe pola detektorów, które obserwują atmosferę bezpośrednio nad sobą. Telescope Array jest jednym z takich pól zlokalizowanych w okolicy miejscowości Delta w stanie Utah. Sieć ponad 500 detektorów monitoruje tam obszar około 700 kilometrów kwadratowych. W każdym z takich detektorów znajduje się materiał emitujący światło po uderzeniu naładowanej cząstki. Osobny zestaw detektorów mierzy jednocześnie na tym samym obszarze ilość promieniowania ultrafioletowego wytwarzanego na niebie przez kaskadę cząstek wyzwolonych przez uderzenie promienia kosmicznego w jądro atomu. Informacje uzyskane przez detektory pozwalają odtworzyć kierunek, z którego promień kosmiczny dotarł tdo powierzchni Ziemi. Teoretycznie zatem powinniśmy być w stanie prześledzić drogę promienia wstecz, aż do jego źródła.
W przypadku najbardziej energetycznych cząstek, takich jak ta z 1991 roku oraz opisywana tutaj z 2021 roku wiadomo jedynie, że nie pochodzi ona z Drogi Mlecznej. Problem w tym, że nie jesteśmy wciąż w stanie ustalić ich źródła. Naukowcy podejrzewają, że powstają one w naprawdę ekstremalnym środowisku, np. w strumieniach promieniowania emitowanych z biegunów supermasywnych czarnych dziur, lub też z obszarów, w których w intensywnym tempie powstają nowe gwiazdy, np. w galaktykach gwiazdotwórczych.
Co więcej, wysokoenergetyczne cząstki teoretycznie musiały być wyemitowane gdzieś w naszym otoczeniu kosmicznym. Jak bowiem zauważają astronomowie, każda taka cząstka, przemierzając przestrzeń kosmiczną, stopniowo traci energię. Jeżeli docierają one do nas z ekstremalnie wysoką energią, oznacza to, że nie mogły one stracić tej energii zbyt dużo po drodze.
Czytaj także: W centrum naszej galaktyki istnieje niezwykła bariera, która niemal nie przepuszcza promieniowania kosmicznego
Cały problem z ustaleniem źródła promienia kosmicznego związany jest z jedną z jego cech. Owszem, astronomowie są w stanie odtworzyć na podstawie zebranych danych kierunek, z którego cząstka przyleciała do Ziemi. Problem w tym, że każde pole magnetyczne, które napotkała po drodze, najprawdopodobniej odchyliło trajektorię jej lotu. Z tego też powodu, musimy mieć świadomość, że znamy tak naprawdę tylko ostatni kawałek trajektorii lotu takiej cząstki. Kiedy zakręcała ona po drodze ze źródła do nas, nie jesteśmy w stanie dokładnie ustalić.
Przeróżne pola magnetyczne obecne w Drodze Mlecznej, ale także i w jej bezpośrednim otoczeniu rozpraszają promienie kosmiczne. Naukowcy postanowili spróbować uwzględnić proces rozpraszania i odtworzyć trajektorię lotu cząstki. Efekt? Wyszło na to, że źródłem promienia kosmicznego jest… kosmiczna pustka, w której znajduje się niewielka liczba galaktyk.
Można zatem powiedzieć, że cząstka zarejestrowana w 2021 roku jest naprawdę fascynująca. Wszystko bowiem wskazuje na to, że przybyła ona do nas z całkowitej pustki w przestrzeni kosmicznej. Naukowcy przyznają, że pytań jest wiele, a odpowiedzi na nie jak na razie nie widać na horyzoncie. Możemy być jednak pewni, że tej sprawy nikt nie zostawi bez rozwiązania. Będziemy musieli jedynie trochę poczekać. Miejmy nadzieję na to, że będzie to “trochę” w skali życia ludzkiego, a nie w skali wieku Wszechświata.
