departe, departe, ceva-undeva-creează particule cu cantități nebune de energie. Oricare ar fi sau de oriunde ar fi, aceste particule pot fi orice între 1018 eV și 1020 eV. Având în vedere că energia maximă a particulelor de la Marele accelerator de Hadroni de la CERN este de aproximativ 1013 eV, unele dintre aceste particule sunt de un milion de ori mai energice decât orice putem modela la cel mai puternic accelerator de particule de pe planetă. Pur și simplu, sunt cele mai energice particule văzute vreodată în natură.cunoscute sub numele de raze cosmice cu energie ultrahigh (Uhecr), aceste particule au fost descoperite în 1962. Sunt frații super-energetici ai razelor cosmice comune sau de grădină, care au fost observate pentru prima dată de omul de știință austriac Victor Hess în timpul unei serii celebre de zboruri îndrăznețe cu balonul cu aer cald cu 50 de ani mai devreme. Dar, în timp ce știm foarte multe despre razele cosmice regulate, din ce sunt făcute Uhecr-urile, de unde provin din ceruri și ce le accelerează rămân un mister.

Din fericire, unele Uhecr-uri plouă ocazional pe planeta Pământ. Când o astfel de rază intră în atmosferă, se ciocnește cu moleculele de aer, care la rândul lor bat în alte particule, rezultând un efect de cascadă până la sol. Rezultatul este un duș de particule răspândite pe o suprafață de 5 km lățime la suprafața Pământului. Și datorită Observatorului Pierre Auger din Argentina și Telescope Array din Utah, putem detecta aceste dușuri și extrage informații despre razele cosmice în sine.

ambele instalații constau dintr – o serie de detectoare de suprafață-în cazul melcului, 1660 de butoaie mari fiecare cu peste 12.000 de litri de apă împrăștiați pe 3000 km2. Când o particulă dintr-un duș zboară într-un detector, creează o undă de șoc electromagnetică care este preluată de tuburile de detectare a luminii montate pe rezervoarele detectorului. Cercetătorii pot combina apoi aceste informații cu date de la 27 de telescoape punctate în întreaga matrice care colectează lumina fluorescentă creată atunci când Cascada excită azotul în aer.

această tehnică combinată produce o măsură exactă a fluxului, direcția de sosire și energia Uhecr-urilor. Și anul trecut, ca urmare a acestei lucrări, cercetătorii Pierre Auger au arătat fără echivoc că cele mai puternice raze cosmice provin din afara Căii Lactee, nu din interiorul galaxiei noastre (știința 357 1266). Având în vedere că știm despre razele cosmice de peste un secol, această descoperire poate părea copleșitoare și puțin întârziată. În realitate, însă, reflectă provocarea gigantică cu care se confruntă cercetătorii. Razele cosmice cu o energie de peste 1020 eV aterizează – în medie-doar o dată pe kilometru pătrat pe pământ pe secol.

razele cosmice cu o energie de peste 1020 eV aterizează – în medie – doar o dată pe kilometru pătrat pe pământ pe secol

din ce sunt făcute Uhecr-urile?

datele colectate de-a lungul deceniilor demonstrează că razele cosmice cu energie redusă – care sunt în mare parte protoni, nuclee și electroni – par să provină din toate direcțiile de pe cer. Oamenii de știință atribuie această răspândire razelor deviate în toate direcțiile de câmpurile magnetice care pătrund în galaxia noastră, ceea ce exclude orice speranță de a se reduce vreodată direct la sursa lor. Uhecr – urile sunt o altă problemă. Ele se alimentează prin câmpuri magnetice galactice atât de bine încât sunt deviate cu doar câteva grade. „Le putem folosi ca mesageri astronomici pentru a găsi sursele direct”, explică Ralph Engel, purtător de cuvânt al Observatorului Pierre Auger.

în timpul unui duș cu aer UHECR, efectul de cascadă implică din ce în ce mai multe particule pe măsură ce dușul trece prin atmosferă. Cu toate acestea, fiecare interacțiune pierde energie, ceea ce înseamnă că numărul de particule de duș începe să scadă, doar o mică parte ajungând la sol. Dar, știind cum se răspândește dușul de aer în atmosferă, cercetătorii Auger și Telescope Array pot simula interacțiunile particulelor pentru a deduce unde în atmosferă dușul a fost la vârf. Și prin combinarea valorii de vârf a dușului cu energia măsurată a dușului, acestea pot deduce masa – și astfel identitatea – Uhecr-urilor.

când oamenii de știință Auger au aplicat această metodă, se așteptau ca Uhecr-urile cu cea mai mare energie să fie făcute pur și simplu din protoni. În schimb, au găsit ceva ciudat. Pe măsură ce energia Uhecr-urilor a crescut de la 1018 eV la 1020 eV, la fel și masa. „Începem cu o mulțime de protoni în jurul anului 1019 eV”, explică Engel. „Apoi, dintr-o dată, există o schimbare drastică a heliului și apoi a elementelor din gama de carbon și azot.”creșterea masei UHECR pe măsură ce razele devin mai energice este o problemă atât pentru experimentaliști, cât și pentru teoreticieni. Ceea ce este dificil pentru oamenii de știință Auger este că Uhecr-urile mai grele sunt deviate mai mult de câmpurile magnetice ale Căii Lactee, ceea ce face și mai dificilă găsirea sursei lor. Pentru teoreticieni precum Vasiliki Pavlidou de la Universitatea din Creta, pe de altă parte, problema este mai fundamentală: ar putea contesta întreaga noastră înțelegere a fizicii energiei înalte. „Dacă particulele primare de la cele mai înalte energii devin într-adevăr mai grele, există câteva coincidențe incomode pe care trebuie să le acceptăm”, spune ea.

conform înțelepciunii convenționale, razele cosmice deasupra unei anumite energii pierd rapid energie pe măsură ce interacționează cu fotonii din fundalul cosmic cu microunde, ceea ce înseamnă că energia Uhecr-urilor văzute pe Pământ ar trebui limitată la aproximativ 1020 eV. Cu toate acestea, dacă particulele observate devin mai grele cu energie, atunci procesul astrofizic care accelerează razele cosmice în primul rând – orice ar fi – trebuie să se desfășoare aproape de energia sa superioară. (Particulele mai ușoare vor fi pur și simplu prea mici pentru a ajunge la acele energii înalte.) Limita de energie uhecr de 1020 eV este, prin urmare, guvernată de două procese complet independente: modul în care particulele sunt accelerate la sursa lor extragalactică și modul în care pierd energie în timp ce călătoresc prin spațiul interstelar. Asta e prima coincidență ciudată.a doua coincidență are legătură cu razele cosmice din interiorul galaxiei noastre și cu cele care vin din altă parte. Se pare ca razele cosmice galactice inceteaza sa mai fie observate la 3 de la 1018 eV-exact aceeasi energie la care razele cosmice extragalactice incep sa devina mai grele cu energie. Acest lucru este ciudat, având în vedere că razele cosmice galactice și extragalactice provin din surse foarte diferite (chiar dacă încă nu știm de unde provin acestea din urmă).având în vedere că aceste două coincidențe depind de procese și proprietăți care nu sunt nici măcar vag legate, de ce se întâmplă la aceleași scale de energie? Un motiv ar putea fi că aceste coincidențe pur și simplu nu există. Acesta ar fi cu siguranță cazul dacă razele cosmice extragalactice nu devin mai grele cu energie, ci sunt doar întotdeauna protoni; coincidențele ar dispărea atunci. Într-adevăr, Pavlidou și colegul ei din Creta, Theodore Tomaras, consideră că Uhecr-urile ar putea fi în principal protoni, singura problemă fiind că ar trebui să existe un nou fenomen fizic nedescoperit care afectează dușurile de aer deasupra unei anumite energii.

asta poate suna ciudat, dar există un motiv bun pentru a nu respinge ideea direct. Fizicienii modelează modul în care particulele din dușul de aer interacționează pe baza înțelegerii Modelului Standard al fizicii particulelor, dar nu a fost niciodată testat (chiar și la LHC) la energii atât de mari. Mai mult decât atât, aceste simulări sunt departe de a explica toate proprietățile de aer-duș observate. Deci, aveți două opțiuni care nu pot fi consumate. Fie razele cosmice sunt protoni, iar noua fizică le face să pară grele. Sau Uhecr-urile sunt particule grele, iar modelul Standard are nevoie de unele modificări serioase.

dar dacă Uhecr-urile sunt protoni, a afla cum ar putea protonii să se deghizeze în particule mai grele va necesita o gândire alternativă. O posibilitate interesantă este că coliziunea inițială a protonului produce o mini gaură neagră, a cărei existență este prezisă de teorii cu dimensiuni suplimentare mari. „Pentru numărul corect de astfel de dimensiuni, acestea pot avea de fapt masa dorită”, explică Tomaras. „Mini găurile negre s-ar dezintegra instantaneu la un număr mare de hadroni care împărtășesc energia găurii negre, făcând „aspectul” primar al protonului greu.”

privind cerul de sub apă

o altă alternativă ar fi invocarea existenței fazelor încă nedescoperite ale cromodinamicii cuantice (QCD)-teoria care descrie modul în care quarcii sunt legați în interiorul protonilor, neutronilor și altor hadroni. Tomaras recunoaște, totuși, că acestea sunt scenarii „exotice”. „Nu am descoperit încă dimensiuni suplimentare mari”, spune el, ” și avem motive să bănuim că secțiunea transversală de producție a mini găurilor negre va fi cel mai probabil prea mică pentru a ne servi scopului și, în plus, nu avem încă o înțelegere cantitativă robustă a fazelor QCD.”Cu toate acestea, dacă suprafețele dovada Uhecr fiind protoni, Tomaras consideră că este” aproape inevitabil ” ca astfel de fenomene exotice să apară în natură.

ce le accelerează?

lăsând la o parte lipsa de certitudine din jurul a ceea ce sunt Uhecr-urile, întrebarea care contează cu adevărat este: ce le face? Aici, imaginea este și mai confuză. Până de curând, unii fizicieni explorau idei exotice cunoscute sub numele de” modele de sus în jos ” care depășesc modelul Standard. Ideea este că obiectele necunoscute de mare energie, cum ar fi materia întunecată super-grea – cu mase de 1012 ori mai mari decât masa protonilor – s-ar descompune în particule UHECR. Captura cu aceste modele este că sugerează că razele cosmice ar trebui să fie dominate de fotoni și neutrini, în timp ce datele de la Observatorul Pierre Auger, Telescope Array și din alte părți sugerează particule încărcate în mare parte. „Nimeni nu mai încearcă să construiască modele exotice ale configurației clasice de sus în jos”, explică Engel.deși scenariul exotic al materiei întunecate nu a fost exclus în totalitate ca sursă a Uhecr-urilor, cercetătorii se gândesc mai serios dacă evenimentele astrofizice extrem de violente ar putea fi în schimb responsabile pentru astfel de energii înalte. Au fost propuse pulsari, explozii de raze gamma, jeturi din nuclee galactice active, galaxii starburst și altele, opinia populară legănându-se între ele.

Roberto Aloisio de la Institutul de științe Gran Sasso din Italia consideră că, în ceea ce privește valoarea nominală, rezultatele lui Auger – sugerând particule UHECR mai grele la cele mai înalte energii – sunt o dezvoltare importantă. „Este mai ușor să accelerați nucleele grele decât protonii, deoarece mecanismele de accelerare simt întotdeauna sarcina electrică a particulelor – iar nucleele mai grele decât protonii au întotdeauna sarcină electrică mai mare”, explică el. Drept urmare, Aloisio sugerează puncte de Auger către pulsari ca sursă de Uhecr-uri, care produc elemente mai grele și ar putea conduce aceste particule la energia necesară (Prog. Theor. Exp. Fizică. 2017 12A102).

în prezent, cu toate acestea, există un candidat care este înaintea tuturor celorlalți ca sursă de Uhecr. „Dacă ar trebui să pariez, mi-aș pune cu siguranță toți banii în galaxiile starburst”, spune Luis Anchordoqui de la City University din New York, care este membru al echipei Auger de 500 de oameni. Galaxiile Starburst sunt cele mai luminoase din univers, formând stele într-un ritm furios. Așa cum Anchordoqui și colegii săi au emis ipoteza pentru prima dată în 1999, galaxiile starburst din apropiere accelerează nucleele către energii ultrahigh printr-un efort colectiv, combinând numeroase explozii de supernove în regiunea densă centrală a galaxiei pentru a crea un „superwind” la scară galactică de gaz care iese.

pe măsură ce acest superwind se extinde, devine mai puțin dens, încetinind fluxul până la viteza subsonică – de fapt, oprind progresul superwind-ului în sine. „Aceasta produce o undă de șoc gigantică, similară cu cea produsă după explozia unei bombe nucleare, dar mult mai puternică”, spune Anchordoqui.

în mod crucial, acest proces de accelerator de șoc difuziv, sau DSA, poate bici particulele de gaz până aproape de viteza luminii. Particulele câștigă energie incremental prin limitarea câmpurilor magnetice și traversarea și trecerea frontului de șoc. Mergând în jurul acceleratorului astrofizic, aceste mici creșteri de energie se acumulează până când particula atinge viteza de evacuare și zboară în spațiu. Anchordoqui a revizuit recent lucrarea în contextul ultimelor descoperiri ale lui Auger (Phys. Rev. D 97 063010).DSA, care nu apare doar în galaxiile starburst, este adesea invocată pentru a explica accelerația propusă a particulelor în exploziile de raze gamma, nucleele galactice active și alți candidați la sursa UHECR. Cu toate acestea, la începutul anului 2018, Kohta Murase și colaboratorii săi de la Universitatea Penn State au arătat că ar putea fi în joc un mecanism de accelerare diferit (Phys. Rev. D 97 023026).

în modelul lor, razele cosmice obișnuite existente într-o anumită galaxie primesc un impuls energetic uriaș de jeturi puternice de nuclee galactice active, printr-un mecanism cunoscut sub numele de accelerație discretă de forfecare. Este un proces complex care implică interacțiunea dintre particulă, perturbații locale în câmpul magnetic și diferența de viteză – sau „forfecare” – a diferitelor părți ale fluxului jetului și ale coconului ambiental. Dar, în cele din urmă, efectul este similar cu DSA. „Razele cosmice câștigă energie prin împrăștierea înainte și înapoi în jurul limitei de forfecare”, explică Murase, după care scapă prin lobii radio care se găsesc adesea la capătul jeturilor.chiar mai recent, Murase și Ke Fang de la Universitatea din Maryland (Nature Phys. 14 396) a revizuit ideea că jeturile puternice de găuri negre din agregatele galaxiilor ar putea alimenta Uhecr-urile. Pentru început, ei și-au comparat modelul cu datele de flux și compoziție uhecr observate de Auger, dezvăluind o potrivire bună cu observațiile experimentale. Dar, cel mai intrigant, au arătat că, detaliind modul în care Uhecr-urile, neutrinii și razele gamma ar putea fi produse de nucleele galactice active, ar putea explica datele colectate de Observatorul de neutrini IceCube din Antarctica, Fermi Gamma-ray Space Telescope și Auger simultan. „Cea mai frumoasă posibilitate este că toate cele trei particule mesager provin din aceeași clasă de surse”, adaugă Murase.

de unde vin?

dacă am ști de unde provin Uhecr-urile din cer, sarcina de a alege sursa care le-a produs ar fi mult mai ușoară. Dar nu există „ușor” în știința razelor cosmice. Oamenii de știință Undaunted, Auger și Telescope Array folosesc cataloage de obiecte potențial candidate care ar putea accelera Uhecr-urile și apoi încearcă să le potrivească cu direcțiile de sosire ale razelor cosmice pe care le observă. Pe măsură ce sosesc din ce în ce mai multe date, ambele facilități au identificat fiecare o zonă din care o mare parte din aceste raze par să provină.

În cazul Auger, această zonă conține o serie de galaxii starburst, dar și Centaurus A – cea mai apropiată galaxie gigantică de Calea Lactee care găzduiește un nucleu galactic activ. În ceea ce privește Telescope Array, „punctul său fierbinte”, care se află chiar sub mânerul constelației Ursa Major, este o indicație și mai clară a unei direcții de sosire, cu un sfert din semnalele uhecr detectate provenind dintr-un cerc de 40 de centimi care reprezintă doar 6% din cer. Dar, deși galaxia starburst M82 se află în punctul fierbinte, la aproximativ 12 milioane de ani-lumină distanță în Ursa Major, diverse alte tipuri de obiecte din acel petic de cer ar putea fi, de asemenea, un loc de naștere al UHECR.

„corelația este în direcția M82 dacă vrei să spui că sunt galaxii starburst sau este direcția centaurului A, Dacă vrei să fie nuclee galactice active”, spune Engel. „Deși datele se corelează mai bine cu galaxiile starburst, nu înseamnă că ele vor fi sursele.”la fel cum nu știm ce sunt Uhecr-urile sau ce le accelerează, tot așa unde provin din cer este învăluit și din vedere. Cu toate acestea, s-ar putea să nu dureze mult până vom găsi răspunsul. Upgrade-uri la Observatorul Pierre Auger și Telescope Array sunt în curs de desfășurare, în timp ce cercetătorii explorează noi facilități, cum ar fi sonda sateliților Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA).

misterul masei și originii acestor particule enigmatice ar putea, într-un deceniu, să fie în cele din urmă dezvăluit.