wszechświat
Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-06-12
Z czarnej dziury na Ziemię

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.

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.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 01/2008 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
07/2019
06/2019
Kalendarium
Lipiec
21
W 1969 r. Neil Armstrong, dowódca wyprawy Apollo 11, stanął jako pierwszy człowiek na powierzchni Księżyca. Tuż po nim uczynił to Buzz Aldrin.
Warto przeczytać
Żyjemy w czasach, w których zaczynamy coraz lepiej rozumieć funkcjonowanie naszego umysłu i możemy tę wiedzę zastosować w praktyce. Leonard Mlodinow, słynny amerykański fizyk, w swojej najnowszej książce "Elastyczny mózg" opisuje mechanizmy odpowiedzialne za proces elastycznego myślenia, chcąc zachęcić czytelników do pracy nad ich własnymi możliwościami.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-06-12
Z czarnej dziury na Ziemię

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.

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.