Νέα δεδομένα στις κοσμικές ακτίνες θέτουν σε δοκιμασία τη συμβατική θεωρία για την προέλευση και τη διάδοσή τους

Από τότε που οι αστροναύτες προσάρμοσαν των 7,5 τόνων ανιχνευτή AMS (Alpha Magnetic Spectometer) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό το Μάιο του 2011, το εγκατεστημένο στο διάστημα μαγνητικό φασματόμετρο, το οποίο συναρμολογήθηκε στο CERN, έχει συλλέξει δεδομένα για πάνω από 150 δισεκατομμύρια κοσμικές ακτίνες – φορτισμένα σωματίδια που ταξιδεύουν στο διάστημα με ενέργειες τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβολτ. Είναι ένα εντυπωσιακό ποσό δεδομένων, που παρείχε έναν πλούτο πληροφορίας σχετικά με αυτά τα κοσμικά σωματίδια, αλλά παραδόξως, όπως σημείωσε ο εκπρόσωπος της ομάδας του AMS, Sam Ting, κανένα από τα αποτελέσματα του AMS δεν είχε προβλεφθεί. Σε μελέτη που μόλις δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, η ομάδα του AMS αναφέρει μετρήσεις μαγνητικής ακαμψίας πρωτογενών κοσμικών ακτίνων που, και πάλι, είναι απρόσμενες.

Πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες παράγονται σε υπερκαινοφανείς εκρήξεις στον Γαλαξία μας και πέρα από αυτόν. Οι πιο κοινές είναι πυρήνες υδρογόνου, που είναι, πρωτόνια, αλλά μπορούν επίσης να πάρουν και άλλες μορφές, όπως βαρείς πυρήνες και ηλεκτρόνια ή η αντίστοιχη αντιύλη τους. Ο AMS και άλλα πειράματα έχουν προηγουμένως μετρήσει τον αριθμό, ή ακριβέστερα την αποκαλούμενη ροή, διαφόρων τέτοιων τύπων κοσμικών ακτίνων, αλλά και πώς μεταβάλλεται η ροή με την ενέργεια και την μαγνητική ακαμψία των σωματιδίων – ένα μέτρο της ορμής ενός φορτισμένου σωματιδίου σε μαγνητικό πεδίο. Όμως μέχρι τώρα δεν έχουν υπάρξει μετρήσεις για το πώς οι ροές των βαρέων πυρήνων νέον, μαγνησίου και πυριτίου μεταβάλλονται με τη μαγνητική ακαμψία. Τέτοιες μετρήσεις θα βοηθούσαν να πέσει νέο φως στην ακριβή φύση των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων και στο πώς αυτές ταξιδεύουν στο διάστημα.

Στην τελευταία τους μελέτη, η ομάδα του AMS περιγράφει μετρήσεις ροής αυτών των τριών κοσμικών πυρήνων στην περιοχή μαγνητικής ακαμψίας από 2,15 GV μέχρι 3 TV. Οι μετρήσεις αυτές βασίζονται σε 1,8 εκατομμύρια πυρήνων από νέον, 2,2 εκατομμύρια πυρήνων από μαγνήσιο και 1,6 εκατομμυρίων πυρήνων από πυρίτιο, που συλλέχθηκαν από τον AMS κατά τη διάρκεια των πρώτων 7 χρόνων λειτουργίας του (19 Μαΐου 2011 μέχρι 26 Μαΐου 2018). Οι ροές από νέον, μαγνήσιο και πυρίτιο εμφανίζουν απροσδόκητα παρόμοια εξάρτηση μαγνητικής ακαμψίας πάνω από 86,5 GV, συμπεριλαμβανομένης μια επίσης απροσδόκητη απόκλιση πάνω από 200 GV από νόμο εξάρτησης που προβλέπεται από τη συμβατική θεωρία της παραγωγής και διάδοσης των κοσμικών ακτίνων. Επιπλέον, η εξάρτηση της μαγνητικής ακαμψίας που παρατηρήθηκε είναι απροσδόκητα διαφορετική από αυτή των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων ηλίου, άνθρακα και οξυγόνου, που είχαν μετρηθεί προηγουμένως από το AMS.

Η πλοκή των κοσμικών ακτίνων συνεχίζει να πυκνώνει. Οι ερευνητές του AMS έχουν δει αποκλίσεις από προηγούμενη συμπεριφορά κοσμικών ακτίνων, συμπεριλαμβανομένης της εξάρτησης μαγνητικής ακαμψίας των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων ηλίου, άνθρακα και οξυγόνου που είναι ευκρινώς διαφορετική από αυτές των δευτερογενών κοσμικών ακτίνων λιθίου, βυριλίου και βορίου. Η δευτερογενείς κοσμικές ακτίνες παράγονται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτογενών κοσμικών ακτίνων και του διαστρικού διάμεσου.

«Ιστορικά, οι κοσμικές ακτίνες ταξινομούνται σε δυο διαφορετικές τάξεις – πρωτογενείς και δευτερογενείς. Τα νέα δεδομένα μας στις σκληρές πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες δείχνουν ότι οι πρωτογενείς κοσμικές ακτίνες έχουν τουλάχιστον δυο διακριτές τάξεις», αναφέρει ο Ting. «Αυτό είναι τελείως απροσδόκητο με βάση την προηγούμενη γνώση μας για τις κοσμικές ακτίνες».

Τα νέα και αναπάντεχα δεδομένα είναι πιθανό να απασχολήσουν τους θεωρητικούς για να ξανασκεφτούν και να εργαστούν πάλι πάνω στα τωρινά μοντέλα κοσμικών ακτίνων. «Οι προηγούμενες παρατηρήσεις μας, έχουν ήδη οδηγήσει σε νέες προόδους στα μοντέλα κοσμικών ακτίνων. Οι νέες παρατηρήσεις θα προσφέρουν πρόσθετες προκλήσεις για τα νέα μοντέλα», λέει ο Ting. Και αν τα δεδομένα που έχουν πρόσφατα συλλεχθεί από τον ανιχνευτή και έχουν σταλεί πίσω στο CERN για ανάλυση – μετά από επιτυχημένες σειρές διαστημικών περιπάτων που έχει επεκτείνει το χρόνο ζωής του – δημιουργήσουν περισσότερες εκπλήξεις, οι θεωρητικοί είναι πιθανό να είναι περισσότερο απασχολημένοι.