Έρευνες σε αστρικά υπολείμματα ρίχνουν νέο φως στην προέλευση των Κοσμικών Ακτίνων

Η προέλευση των κοσμικών ακτίνων, [σωματίδια υψηλής ενέργειας από το εξωτερικό διάστημα που αδιάκοπα προσκρούουν στη Γη], είναι μεταξύ το πιο προκλητικών ανοιχτών ερωτημάτων στην αστροφυσική. Οι κοσμικές ακτίνες, που ανακαλύφθηκαν πριν από περισσότερο από 100 χρόνια και θεωρήθηκαν εν δυνάμει κίνδυνος για την υγεία των πληρωμάτων των αεροπλάνων και των αστροναυτών, θεωρείται ότι παράγονται από ωστικά κύματα (κύματα κρούσης) – για παράδειγμα, αυτά που είναι αποτέλεσμα εκρήξεων υπερκαινοφανών. Οι περισσότερο ενεργητικές κοσμικές ακτίνες, που διατρέχουν ταχύτατα το διάστημα, έχουν 10 με 100 εκατομμύρια φορές την ενέργεια που παράγεται σε επιταχυντές όπου συγκρούονται σωματίδια, όπως το LHC στο CERN.

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Monthly Notices, της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας, ρίχνει νέο φως στην προέλευση αυτών των ενεργητικών σωματιδίων. «Το νέο αποτέλεσμα αποτελεί μια σημαντική εξέλιξη στην κατανόηση της επιτάχυνσης των σωματιδίων στα ωστικά κύματα, που θεωρούνται παραδοσιακά ως οι κύριες πηγές ενεργητικών σωματιδίων στο σύμπαν», αναφέρει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Federico Fraschetti, από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνας. Το Νεφέλωμα του Καρκίνου, απομεινάρι μιας έκρηξης υπερκαινοφανούς (supernova) που είχε παρατηρηθεί περίπου πριν από 1000 χρόνια, είναι ένα από τα καλύτερα μελετημένα αντικείμενα στην ιστορία της αστρονομίας και μια γνωστή πηγή κοσμικών ακτίνων. Εκπέμπει ακτινοβολία όλου του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από ακτίνες-γ, υπεριώδη, και ορατό φως μέχρι υπέρυθρη και ραδιοκύματα.

«Τα περισσότερα από ότι παρατηρούμε προέρχονται από πολύ ενεργητικά σωμάτια όπως τα ηλεκτρόνια τα οποία δεν έχουν ακόμη αφήσει την πηγή», είπε ο Fraschetti. «Καθώς μπορούμε μόνο να παρατηρήσουμε την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ίδια την πηγή, βασιζόμαστε σε μοντέλα για να αναπαράγουμε το φάσμα ακτινοβολίας από το νεφέλωμα που βλέπουμε».

Η νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι ολόκληρο το φάσμα συχνοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το Νεφέλωμα του Καρκίνου μπορεί να προκύψει από ένα μόνο πληθυσμό ηλεκτρονίων, που προηγουμένως θεωρείτο αδύνατο, και ότι παράγεται με ένα διαφορετικό τρόπο από αυτόν που οι επιστήμονες παραδοσιακά θεωρούσαν. Σύμφωνα με ένα γενικώς αποδεκτό μοντέλο, μόλις τα σωματίδια φτάνουν στο ωστικό κύμα, αναπηδούν πίσω-μπρος πολλές φορές εξαιτίας της μαγνητικής περιδίνησης. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας κερδίζουν ενέργεια – με παρόμοιο τρόπο που ένα μπαλάκι τένις αναπηδά μεταξύ των δυο ρακετών που κινούνται σταθερά πλησιέστερα η μία στη άλλη – και ωθούνται όλο και πιο κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Ένα τέτοιο μοντέλο ακολουθεί μια ιδέα που διατυπώθηκε από τον Ιταλό φυσικό Enrico Fermi το 1949.

«Τα υπάρχοντα μοντέλα δεν περιλαμβάνουν το τι συμβαίνει όταν τα σωματίδια φτάνουν στις υψηλότερες ενέργειές τους», λέει ο Federico Fraschetti. «Μόνο εάν συμπεριλάβουμε μια διαφορετική διαδικασία επιτάχυνσης μπορούμε να εξηγήσουμε το όλο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα που βλέπουμε και αυτό μας λέει ότι ενώ το ωστικό κύμα ακόμη είναι η πηγή της επιτάχυνσης των σωματιδίων, οι μηχανισμοί πρέπει να είναι διαφορετικοί».

«Τα σωματίδια αυτά είναι τα ταχύτερα πράγματα στο σύμπαν», αναφέρει ο Fraschetti. «Οτιδήποτε βιώνουμε στην καθημερινότητά μας είναι πολύ μακριά από τα σχετικιστικά φαινόμενα. Όμως αυτά τα άκρως ενεργητικά σωματίδια εντούτοις χρειάζεται να επιταχυνθούν ακόμη περισσότερο για να παραγάγουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που βλέπουμε να έρχεται από το Νεφέλωμα του Καρκίνου». Η επιτάχυνση αυτή, πιστεύουν οι επιστήμονες, σε ένα όριο που ονομάζεται όριο ωστικού κύματος, όπου ο σωματιδιακός άνεμος κινείται με ορμή στο νέφος αερίου και σκόνης που απέβαλε στο διάστημα όταν έγινε υπερκαινοφανής.

Εκτός από αυτό, οι ερευνητές βρήκαν ότι, μόλις τα σωματίδια γίνουν αρκετά ενεργητικά να αφήσουν το σύστημα και να γίνουν κοσμική ακτινοβολία, πηγαίνουν πέρα από τα όρια των μοντέλων που παραδοσιακά χρησιμοποιούνται για να εξηγήσουν την προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας. Οι συγγραφείς της μελέτης συμπεραίνουν ότι απαιτείται καλύτερη κατανόηση του πώς τα σωματίδια επιταχύνονται στις κοσμικές πηγές και πώς η επιτάχυνση λειτουργεί όταν η ενέργεια των σωματιδίων γίνεται πολύ μεγάλη. Διάφορες αποστολές της NASA αφιερώθηκαν στη μελέτη των φαινομένων των ωστικών κυμάτων που προκαλούνται από τις εκρήξεις πλάσματος στην επιφάνεια του Ήλιου καθώς ταξιδεύουν προς τη Γη. Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι τα αποτελέσματα από αυτά τα πειράματα μπορεί να ρίξουν φως στους μηχανισμούς της επιτάχυνσης σε αντικείμενα όπως το Νεφέλωμα του Καρκίνου.