Διάστημα: Αστροφυσικοί εξηγούν με νέο μοντέλο την μυστήρια συμπεριφορά των κοσμικών ακτίνων

Μια ομάδα επιστημόνων από τη Ρωσία και την Κίνα έχουν αναπτύξει ένα μοντέλο το οποίο εξηγεί τη φύση των κοσμικών ακτίνων (CRs) υψηλής ενέργειας στον Γαλαξία μας. Οι CRs αυτές έχουν ενέργειες που υπερβαίνουν κατά μια ή δυο τάξεις μεγέθους αυτές που παράγονται από τις εκρήξεις υπερκαινοφανών. Το μοντέλο εστιάζει κυρίως στην πρόσφατη ανακάλυψη των γιγάντιων δομών που ονομάστηκαν φυσαλίδες Fermi.

Ένα από τα βασικά προβλήματα στη θεωρία της προέλευσης των κοσμικών ακτίνων (πρωτόνια υψηλής ενέργειας και ατομικοί πυρήνες) είναι ο μηχανισμός επιτάχυνσης. Το θέμα αντιμετωπίστηκε από τους Vitaly Ginzburg και Sergei Syrovatsky στη δεκαετία του 1960, όταν πρότειναν ότι οι CRs παράγονται κατά τη διάρκεια εκρήξεων υπερκαινοφανών (supernovae – SN) στον Γαλαξία. Ένας ειδικός μηχανισμός της επιτάχυνσης φορτισμένων σωματιδίων από το ωστικό κύμα το SN προτάθηκε από τον Germogen Krymsky και άλλους το 1977. Εξαιτίας της περιορισμένης διάρκειας ζωής των ώσεων, εκτιμήθηκε ότι η μέγιστη ενέργεια των επιταχυνόμενων σωματιδίων δεν μπορεί να υπερβαίνει το 1014-1015 eV (electronvolts).

Το ερώτημα προκύπτει για το πώς εξηγείται η φύση των σωματιδίων με ενέργειες πάνω από τα 1015 eV. Μια μεγάλη τομή στην έρευνα των διαδικασιών επιτάχυνσης τέτοιων σωματιδίων προέκυψε όταν το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Ακτίνων-γ, Fermi, ανίχνευσε δυο γιγάντιες δομές που εκπέμπουν ακτινοβολία της περιοχής των ακτίνων-γ στην κεντρική περιοχή του Γαλαξία μας, τον Νοέμβριο του 2010. Οι δομές που ανακαλύφθηκαν είναι επιμήκεις και συμμετρικά τοποθετημένες στο Γαλαξιακό επίπεδο, κάθετα στην περιοχή του κέντρου του, επεκτεινόμενες 50000 έτη φωτός, ή περίπου στο μισό της διαμέτρου του δίσκου του Γαλαξία μας. Οι δομές αυτές έγιναν γνωστές ως φυσαλίδες Fermi. Αργότερα, η ομάδα του τηλεσκοπίου Planck ανακάλυψε τις εκπομπές τους στην περιοχή των μικροκυμάτων.

Η φύση των φυσαλίδων Fermi είναι ακόμη ασαφής, ωστόσο η θέση αυτών των αντικειμένων δείχνει την σύνδεσή τους με την προηγούμενη και την τωρινή δραστηριότητα του κέντρου του Γαλαξία, όπου θεωρείται ότι είναι εγκατεστημένη μια κεντρική μαύρη τρύπα. Τα σύγχρονα μοντέλα συσχετίζουν τις φυσαλίδες με τον σχηματισμό των άστρων και/ή με μια ενέργεια που απελευθερώνεται από το Γαλαξιακό κέντρο, αποτέλεσμα της παλιρροϊκής διαταραχής των άστρων κατά τη διάρκεια της συσσώρευσής τους μέσα στη κεντρική μαύρη τρύπα. Οι φυσαλίδες δεν θεωρούνται ότι είναι μοναδικά φαινόμενα που παρατηρούνται μόνο στον Γαλαξία μας και παρόμοιες δομές μπορεί να ανιχνευτούν σε άλλα γαλαξιακά συστήματα με ενεργούς πυρήνες.

Οι Dmitry Chernyshov και Vladimir Dogiel από το MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) και οι συνάδελφοί τους από το Hong Kong και την Taiwan δημοσίευσαν σειρά από μελέτες πάνω στη φύση των φυσαλίδων Fermi. Έχουν δείξει ότι η εκπομπή ακτίνων-Χ και ακτίνων-γ σε αυτές τις περιοχές συμβαίνει λόγω ποικίλων διαδικασιών των σχετικιστικών ηλεκτρονίων συμπεριλαμβανομένων, που επιταχύνονται από το ωστικό κύμα που προέρχεται από την πτώση αστρικής ύλης μέσα στη μαύρη τρύπα. Σε αυτή την περίπτωση, τα ωστικά κύματα θα επιτάχυναν τόσο τα πρωτόνια όσο και τους πυρήνες. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, τα σχετικιστικά πρωτόνια με μεγαλύτερες μάζες μόλις που χάνουν την ενέργειά τους στη Γαλαξιακή άλω και μπορούν να γεμίσουν όλο τον όγκο του Γαλαξία. Οι συγγραφείς της μελέτης υποστηρίζουν ότι τα γιγάντια ωστικά μέτωπα φυσαλίδων Fermi μπορούν να επανεπιταχύνουν τα πρωτόνια που εκπέμπονται από SN σε ενέργειες που υπερβαίνουν πολύ τα 1015 eV.

Η ανάλυση των επανεπιταχυνόμενων κοσμικών ακτίνων έδειξε ότι ο φυσαλίδες Fermi μπορεί να ευθύνονται για το σχηματισμό του φάσματος των CR πάνω από το «γόνατο» («knee») του παρατηρούμενου φάσματος, δηλαδή σε ενέργειες μεγαλύτερες από 3×1015 eV (περιοχή ενέργειας «Β» στο γράφημα). Για να γίνει αντιληπτό, η ενέργεια των επιταχυνόμενων σωματιδίων στον LHC του CERN είναι επίσης περίπου 1015 eV.

Το φασματικό διάγραμμα των κοσμικών ακτίνων που ανιχνεύθηκαν στη Γη. Τα στίγματα δείχνουν τα παρατηρούμενα δεδομένα, ενώ η συνεχής γραμμή είναι το φάσμα που υπολογίζεται από το μοντέλο.

«Το μοντέλο μας εξηγεί την κατανομή του φάσματος της παρατηρούμενης ροής CR. Μπορεί να ειπωθεί ότι οι διαδικασίες που περιγράψαμε είναι ικανές να επανεπιταχύνουν τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες που παράγονται στις εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων. Αντίθετα από τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια έχουν σημαντικά μεγαλύτερους χρόνους ζωής, έτσι όταν επιταχύνονται στις φυσαλίδες Fermi, μπορούν να γεμίζουν τον όγκο του Γαλαξία και να είναι παρατηρήσιμα κοντά στη Γη. Το μοντέλο μας προτείνει ότι κοσμικές ακτίνες που περιέχουν υψηλής ενέργειας πρωτόνια και πυρήνες με ενέργεια χαμηλότερη από 1015 eV (κάτω από την περιοχή ενέργειας «γόνατο» του παρατηρούμενου φάσματος), παρήχθησαν στις εκρήξεις υπερκαινοφανών στο Γαλαξιακό δίσκο. Τέτοιες CRs επανεπιταχύνονται στις φυσαλίδες Fermi σε ενέργειες πάνω από 1015 eV (πάνω από το «γόνατο»). Η τελική κατανομή των κοσμικών ακτίνων φαίνεται στο φασματικό διάγραμμα», αναφέρει ο Vladimir Dogiel.

Οι ερευνητές έχουν προτείνει μια εξήγηση για τις ιδιομορφίες στο φάσμα των CR στην περιοχή ενέργειας από 3×1015 μέχρι 1018 eV (περιοχή «Β» στο γράφημα). Οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι σωματίδια που παράγονται κατά τη διάρκεια των εκρήξεων SN και τα οποία έχουν ενέργειες χαμηλότερες από 3×1015 eV υφίστανται επανεπιτάχυνση στις φυσαλίδες Fermi όταν κινούνται από το Γαλαξιακό δίσκο προς την άλω. Έγκυρες παράμετροι του μοντέλου που περιγράφει την επιτάχυνση των σωματιδίων στις φυσαλίδες Fermi μπορούν να εξηγήσουν τη φύση του φάσματος των κοσμικών ακτίνων πάνω από 3×1015 eV. Το φάσμα κάτω από αυτή την περιοχή παραμένει αδιατάρακτο. Έτσι, το μοντέλο μπορεί να παραγάγει τη φασματική κατανομή των κοσμικών ακτίνων που είναι παρόμοια με αυτή που
παρατηρείται.