Επιβεβαιώθηκε η πηγή της κοσμικής ακτινοβολίας. Scientists solve mystery of cosmic rays

Ερευνητές απέδειξαν για πρώτη φορά ότι η κοσμική ακτινοβολία προέρχεται από την έκρηξη των σουπερνόβα. The W44 supernova remnant is nestled within and interacting with the molecular cloud that formed its parent star. Fermi's LAT detects GeV gamma rays (magenta) produced when the gas is bombarded by cosmic rays, primarily protons. Radio observations (yellow) from the Karl G. Jansky Very Large Array near Socorro, N.M., and infrared (red) data from NASA's Spitzer Space Telescope reveal filamentary structures in the remnant's shell. Blue shows X-ray emission mapped by the Germany-led ROSAT mission. Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NRAO/AUI, JPL-Caltech, ROSAT

Αν και σε εμάς περνάει απαρατήρητο, καθημερινά και ανά πάσα στιγμή η Γη βομβαρδίζεται από φορτισμένα σωματίδια που φθάνουν ως εδώ από το Διάστημα. Αυτό είναι γνωστό εδώ και έναν αιώνα στους επιστήμονες, οι οποίοι έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι αυτή η «κοσμική ακτινοβολία» - ή τουλάχιστον ένα μέρος της – προέρχεται από τις εκρήξεις των υπερκαινοφανών αστέρων. Αν και γενικώς αποδεκτή, αυτή ωστόσο δεν ήταν παρά μια θεωρία. Τώρα μια ομάδα επιστημόνων κατόρθωσε για πρώτη φορά να προσφέρει την απόδειξή της.

Σωματίδια με την ταχύτητα του φωτός

Η κοσμική ακτινοβολία που φθάνει ως εμάς συνίσταται σε διάφορα είδη σωματιδίων – στη συντριπτική πλειονότητά τους πρωτόνια, αλλά και μιόνια ή ποζιτρόνια – τα οποία συχνά αναπτύσσουν ασύλληπτες για τα ανθρώπινα μέτρα ταχύτητες, σχεδόν παρόμοιες με αυτή του φωτός. Για πρώτη φορά η ακτινοβολία αυτή ανιχνεύθηκε το 1912 και η πιο ευλογοφανής εξήγηση για την ύπαρξή της ήταν για τους επιστήμονες η έκρηξη των υπερκαινοφανών αστέρων – ή σουπερνόβα – η οποία παράγει εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.

Αν και ευλογοφανής, η ερμηνεία αυτή δεν ήταν ωστόσο εύκολο να αποδειχθεί. Τα πρωτόνια είναι φορτισμένα σωματίδια και για τον λόγο αυτόν αλληλεπιδρούν με τα μαγνητικά πεδία που συναντούν στην πορεία τους. Ως αποτέλεσμα, όταν – και αν – φθάσουν τελικά στη Γη, είναι πλέον πολύ δύσκολο να προσδιορίσει κανείς την προέλευσή τους.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων αποφάσισε να διερευνήσει το ζήτημα έμμεσα, μέσω της ακτινοβολίας γ. Χρησιμοποιώντας το Large Area Telescope (LAT) του διαστημικού τηλεσκοπίου Φέρμι της NASA οι επιστήμονες προσπάθησαν να εντοπίσουν την «υπογραφή» που προκύπτει στο φάσμα της ακτινοβολίας γ από τη διάσπαση των πιονίων – υποσωματιδίων που παράγονται από τις συγκρούσεις των σωματιδίων της κοσμικής ακτινοβολίας με τα διαστρικά υλικά που περιβάλλουν τους υπερκαινοφανείς αστέρες.

«Στοχεύοντας» τους σουπερνόβα

In order to understand the origin and acceleration of cosmic ray protons, researchers used data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope and targeted W44 and IC 443, two supernova remnants thousands of light years away. Credit: Image courtesy of NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Στέφαν Φουνκ, αστροφυσικό του Πανεπιστημίου Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, επικεντρώθηκαν στα υπολείμματα δυο σουπερνόβα που βρίσκονται στον γαλαξία μας. Ο ένας, ο IC443. βρίσκεται στον αστερισμό των Διδύμων και απέχει 5.000 έτη φωτός από τη Γη. Ο δεύτερος, ο W44, βρίσκεται στον αστερισμό του Αετού, σε απόσταση 10.000 ετών φωτός από εμάς.

This multiwavelength composite shows the supernova remnant IC 443, also known as the Jellyfish Nebula. Fermi GeV gamma-ray emission is shown in magenta, optical wavelengths as yellow, and infrared data from NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) mission is shown as blue (3.4 microns), cyan (4.6 microns), green (12 microns) and red (22 microns). Cyan loops indicate where the remnant is interacting with a dense cloud of interstellar gas. Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NOAO/AURA/NSF, JPL-Caltech/UCLA

Όπως εξήγησαν οι επιστήμονες στο περιοδικό «New Scientist», η «υπογραφή» που αναζητούσαν αφορούσε τις τιμές της ενέργειας της ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία γ που παράγεται από τις συγκρούσεις των πρωτονίων πρέπει να «κινείται» σε ενέργειες των 150 ως 200 μεγαηλεκτρονιοβόλτ (MeV) και πλέον – αν δηλαδή υπήρχε έντονη δραστηριότητα με συγκρούσεις πρωτονίων γύρω από τα υπολείμματα των σουπερνόβα, οι ερευνητές περίμεναν να δουν εκεί ακτινοβολία γ με ενέργειες κυρίως σε αυτές τις τιμές ή και μεγαλύτερες ενώ οι χαμηλότερες τιμές θα έπρεπε να είναι σχεδόν παντελώς απούσες.

A new study using observations from NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope reveals the first clear-cut evidence that the expanding debris of exploded stars produces some of the fastest-moving matter in the universe. This discovery is a major step toward meeting one of Fermi's primary mission goals.

«Και αυτό ακριβώς είδαμε» υπογράμμισε ο καθηγητής Φουνκ. «Πρόκειται για ένα χαρακτηριστικό σημάδι, σαν αυτό που αφήνει ένα όπλο που εκπυρσοκροτεί, και το οποίο μας λέει ότι αυτό που βλέπουμε είναι ακτινοβολία γ από πρωτόνια με μεγάλη επιτάχυνση».

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science».