Niezwykle potężny promień kosmiczny uderzył w Ziemię! Nie wiemy, skąd pochodzi

Promień kosmiczny, który uderzył w ziemską atmosferę, całkowicie zadziwił astrofizyków. Cząstka Amaterasu, jeden z promieni kosmicznych o najwyższej energii, jaką kiedykolwiek wykryto, pochodzi z pozornie pustego obszaru przestrzeni kosmicznej.

Cząstka, nazwana Amaterasu na cześć bogini słońca z mitologii japońskiej, jest jednym z promieni kosmicznych o najwyższej energii, jaką kiedykolwiek wykryto.

Ta maleńka cząsteczka niosła energię przekraczającą 240 eksa-elektronowoltów, czyli 2,4 x 1020 elektronowoltów – ustępując jedynie słynnej, oszałamiającej cząstce „Oh-My-God”, wykrytej w 1991 roku, o energii 320 eksa-elektronowoltów. Podobnie jak w przypadku cząstki „Oh-My-God”, naukowcom nie udało się wyśledzić źródła nowej cząstki.

Uważa się, że tylko najpotężniejsze zdarzenia kosmiczne, o skali znacznie przekraczającej eksplozję gwiazdy, są w stanie wytworzyć cząstki tak energetyczne. Wydaje się jednak, że Amaterasu wyłoniła się z Lokalnej Pustki, pustego obszaru przestrzeni graniczącego z galaktyką Drogi Mlecznej.

„Cząstki mają tak wysoką energię, że galaktyczne i pozagalaktyczne pola magnetyczne nie powinny na nie oddziaływać. Na niebie powinieneś być w stanie wskazać, skąd pochodzą” – mówi fizyk John Matthews z Uniwersytetu Utah i członek współpracy Telescope Array, która dokonała tego odkrycia.

„Ale w przypadku cząstki „Oh-My-God” i tej nowej cząstki, śledzi się jej trajektorię do źródła i nie ma nic o wystarczająco wysokiej energii, aby ją wytworzyć. Na tym polega tajemnica”

Promienie kosmiczne to taka kosmiczna zagadka. Jesteśmy w stanie je wykryć od ponad stulecia, ale wciąż nie mamy pojęcia jak mogą rozprzestrzeniać się we Wszechświecie.

Poza tym nie są promieniowaniem, jak światło; są to cząstki, głównie jądra atomowe, ale także cząstki subjądrowe, takie jak protony i elektrony. Płyną przez Wszechświat z prędkością bliską prędkości światła, z większą mocą, niż powinny.

Naukowcy uważają, że powstają w warunkach energetycznych, takich jak supernowe i zderzenia gwiazd. Źródła mniej energetyczne, takie jak gwiazdy (w tym Słońce), wytwarzają promienie kosmiczne o niższej energii, ale te o większej mocy okazują się nieco trudniejsze do zidentyfikowania. Nasza atmosfera chroni nas przed promieniami kosmicznymi, co jest naprawdę świetne, ale wciąż mamy kilka całkiem skutecznych sposobów ich wykrywania.

Kiedy promień kosmiczny uderza w atmosferę, zderza się z innymi cząsteczkami, tworząc deszcz cząstek, który spada na Ziemię. Mamy obserwatoria, które potrafią wykryć te cząstki, łącząc je ze zderzeniem promieni kosmicznych.

Jednak deszcze wytwarzane przez energetyczne promienie kosmiczne padają na stosunkowo duży obszar, co oznacza, że jeśli chcemy zrekonstruować zdarzenie cząsteczkowe z jakąkolwiek dokładnością, musimy pokryć całkiem duży obszar ziemi.

System Teleskopów Array, prowadzony w ramach współpracy międzynarodowej, ma efektywny obszar wykrywania kosmicznych zdarzeń wynoszący 700 kilometrów kwadratowych.  27 maja 2021 r. sieć odebrała sygnał. Po przeprowadzeniu obliczeń i analiz i ponownym sprawdzeniu zespół naukowców doszedł do wniosku, że znalazł cząstkę w skali energetycznej cząstki „Oh-My-God”.

„Kiedy po raz pierwszy odkryłem ten ultrawysokoenergetyczny promień kosmiczny” – mówi fizyk Toshihiro Fujii z Osaka Metropolitan University, który kierował badaniami – „pomyślałem, że to musi być pomyłka, ponieważ pokazał on poziom energii niespotykany od trzech ostatnich dziesięcioleci.”

Odkrycie dokonane przy użyciu innej techniki niż ta, która odsłoniła cząstkę „Oh-My-God” i w innej części nieba, sugeruje, że choć rzadkie, obserwacje te reprezentują prawdziwe wydarzenia astrofizyczne.

No cóż, potwierdzenie istnienia ultrawysokoenergetycznych promieni kosmicznych oznacza, że mamy teraz nie lada kłopot. Jak widać, cząstki o ultrawysokiej energii mają wyraźną granicę odcięcia, energię znaną jako granica Greisena-Zatsepina-Kuzmina, która wynosi 5 x 1019 elektronowoltów. Uważa się, że jest to maksymalna energia, jaką cząstka może utrzymać na długich dystansach wynoszących około 160 milionów lat świetlnych, ponieważ promienie kosmiczne tracą energię podczas podróży w przestrzeni. Co to oznacza?

Oczywiście w tej odległości od nas znajduje się obiekt, który może wytwarzać promienie kosmiczne, ale w odległości 160 milionów lat świetlnych od Układu Słonecznego nie wykryto niczego nawet bliskiego mocy, która mogłaby wytworzyć „Oh-My-God” lub Amaterasu.

„Rzeczy, które ludzie uważają za energetyczne, jak supernowe, wcale nie są do tego wystarczająco energetyczne” – mówi Matthews. „Potrzebujesz ogromnych ilości energii i naprawdę silnych pól magnetycznych, aby uwięzić cząstkę podczas jej przyspieszania”.

Śledzenie linii, którą Amaterasu przebyła w przestrzeni, prowadzi z powrotem do kosmicznej pustki – obszaru przestrzeni pomiędzy włóknami, na którym skupiają się galaktyki, ze stosunkowo niewielką ilością wewnątrz. Oznacza to, że czegoś nam brakuje.

Być może pola magnetyczne lepiej przyspieszają cząstki, niż sądziliśmy. Być może w pobliżu znajduje się źródło, którego nie widzieliśmy. A może cząstki wskazują nam nigdy wcześniej nie widziane zjawisko astrofizyczne.

„Mogą to być defekty w strukturze czasoprzestrzeni, zderzające się kosmiczne struny” – mówi fizyk John Belz z Uniwersytetu Utah. „Po prostu opowiadam o szalonych pomysłach, na które ludzie wpadają, ponieważ nie ma konwencjonalnego wyjaśnienia. To prawdziwa tajemnica”.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science.