Το μυστήριο του σωματιδίου Αματεράσου, ενός από τα πιο ενεργά κοσμικά σωματίδια που έχουν ποτέ ανιχνευτεί, μπορεί τελικά να έχει λυθεί από επιστήμονες του Πανεπιστημίου Πεν Στέιτ. Νέες έρευνες υποδηλώνουν ότι ορισμένα από τα πιο ακραία κοσμικά σωματίδια μπορεί να αποτελούνται από υπερβαρέα ατομικούς πυρήνες, βαρύτερους από τον σίδηρο, οι οποίοι διατηρούν καλύτερα την ενέργειά τους καθώς ταξιδεύουν στο διάστημα.
Τα υπερυψηλής ενέργειας κοσμικά σωματίδια είναι σωματίδια από το διάστημα που συγκρούονται με τη Γη με ενέργειες πολύ πέρα από οτιδήποτε παράγεται από ανθρώπινους επιταχυντές σωματιδίων. Μεταξύ των πιο εξαιρετικών παραδειγμάτων είναι το «σωματίδιο Αματεράσου», το οποίο ανιχνεύθηκε από τον Telescope Array στην Γιούτα το 2021 και πήρε το όνομά του από τη θεά του ήλιου στην ιαπωνική μυθολογία. Η ενέργειά του το κατατάσσει ανάμεσα στα πιο ισχυρά κοσμικά γεγονότα που έχουν παρατηρηθεί ποτέ, τοποθετώντας το στην ίδια σπάνια κατηγορία με το «σωματίδιο Ω-Μάι-Γκοντ» που καταγράφηκε το 1991.
Η υπόθεση των υπερβαρέων πυρήνων
Η νέα έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, υποδηλώνει ότι ορισμένα από τα υψηλότερης ενέργειας κοσμικά σωματίδια μπορεί να είναι ατομικοί πυρήνες βαρύτεροι από τον σίδηρο. Οι ατομικοί πυρήνες είναι οι συμπαγείς πυρήνες των ατόμων, αποτελούμενοι από πρωτόνια και νετρόνια. Κρατούν σχεδόν όλη τη μάζα ενός ατόμου ενώ καταλαμβάνουν μόνο ένα μικρό μέρος του συνολικού όγκου του.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ομάδας, αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες μπορεί να χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους ελαφρύτερους πυρήνες κατά τη διάρκεια της διασταύρωσης του διαγαλαξιακού χώρου. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν να επιβιώσουν το ταξίδι στη Γη ενώ εξακολουθούν να μεταφέρουν ακραίες ποσότητες ενέργειας. Η εργασία, που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Γιουκάβα στην Ιαπωνία, το Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια και άλλα ιδρύματα, μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναγνωρίσουν τους τύπους κοσμικών αντικειμένων που είναι αρκετά ισχυρά για να εκτοξεύσουν τέτοια σωματίδια.
«Τα κοσμικά σωματίδια υπερυψηλής ενέργειας μπορούν να επιταχυνθούν μόνο από κάποιες από τις πιο ισχυρές πηγές στο σύμπαν», δήλωσε ο Kohta Murase, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Πεν Στέιτ και αρχηγός της ερευνητικής ομάδας. «Όταν ανιχνεύουμε μεμονωμένα κοσμικά σωματίδια όπως το σωματίδιο Αματεράσου εδώ στη Γη, μπορούμε συχνά να χρησιμοποιήσουμε τις ενέργειές τους, τις κατευθύνσεις άφιξης και τις αναμενόμενες μαγνητικές παραμορφώσεις για να συμπεράνουμε τις πιθανές κοσμικές τους πηγές».
Το αίνιγμα του σωματιδίου Αματεράσου
Το σωματίδιο Αματεράσου έχει είναι ιδιαίτερα δύσκολο να εξηγηθεί επειδή η εκτιμώμενη κατεύθυνση άφιξης του ανιχνεύεται πίσω σε ένα κοσμικό κενό, μια περιοχή του διαστήματος χωρίς σαφή πηγή ικανή να παράγει κοσμικά σωματίδια υπερυψηλής ενέργειας.
«Η προέλευση και οι μηχανισμοί επιτάχυνσης των κοσμικών σωματιδίων υπερυψηλής ενέργειας έχουν υπάρξει ανάμεσα στα μεγαλύτερα μυστήρια στον τομέα για περισσότερα από 60 χρόνια, από τότε που αναφέρθηκε το πρώτο παράδειγμα», δήλωσε ο Murase.
Αυτά τα σπάνια σωματίδια μπορούν να ξεπεράσουν τα 100 εξα-ηλεκτρονιοβόλτ, ή 100 πεντάκις εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Αυτό τα καθιστά περίπου επτά τάξεις μεγέθους, ή 10 εκατομμύρια φορές, πιο ενεργητικά από τα σωματίδια που επιταχύνονται μέσα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον μεγαλύτερο και πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Το σωματίδιο Αματεράσου αναφέρθηκε σε περίπου 240 εξα-ηλεκτρονιοβόλτ, δίνοντας σε ένα μικροσκοπικό κοσμικό σωματίδιο περίπου την κινητική ενέργεια μιας γρήγορης μπάλας του τένις.
Προσομοιώσεις και επιπτώσεις
Για να διερευνήσουν τι είδη σωματιδίων θα μπορούσαν ακόμα να φτάσουν στη Γη σε τέτοιες εξαιρετικές ενέργειες, οι ερευνητές έτρεξαν λεπτομερείς προσομοιώσεις υπολογιστή. Προσάρμοσαν το πώς τα σωματίδια διαφορετικών μεγεθών θα κέρδιζαν ή θα έχαναν ενέργεια ενώ ταξίδευαν μέσω του διαγαλαξιακού χώρου.
«Η έρευνά μας έδειξε ότι σε ενέργειες συγκρίσιμες με αυτή του σωματιδίου Αματεράσου, οι υπερβαρείς πυρήνες χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους μεσαίου βάρους πυρήνες, κάνοντάς τους καλύτερα ικανούς να επιβιώσουν κοσμικές αποστάσεις και να φτάσουν στη Γη σε ακραίες ενέργειες», εξήγησε ο Murase. «Δεν λέμε ότι όλα τα κοσμικά σωματίδια υπερυψηλής ενέργειας είναι υπερβαρείς πυρήνες. Αλλά αν ορισμένα από τα υψηλότερης ενέργειας γεγονότα είναι υπερβαρείς πυρήνες, αυτό θα επηρέαζε τον τρόπο που αναζητούμε τις πηγές τους».
Οι υπολογισμοί της ομάδας θέτουν επίσης νέα όρια για το πόσο αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες μπορεί να συμβάλλουν στον πλήρη πληθυσμό των παρατηρούμενων κοσμικών σωματιδίων υπερυψηλής ενέργειας.
Βίαιες κοσμικές προελεύσεις
«Αυτά τα υψηλότερης ενέργειας κοσμικά σωματίδια πιστεύεται ότι προέρχονται από ακραίες αστροφυσικές πηγές, όπως δύο αστέρες νετρονίων που συγκρούονται ή ένας μαζικός αστέρας που καταρρέει», πρόσθεσε ο Murase. «Για πολλά κοσμικά γεγονότα που λαμβάνονται μαζί, η κατανομή της ενέργειάς τους, το μοτίβο κατεύθυνσης άφιξης και η στατιστικά συμπεραινόμενη σύνθεση παρέχουν σημαντικές ενδείξεις για το από πού προέρχονται αυτά τα σωματίδια και πώς επιταχύνονται».
Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν τις πηγές αυτών των απίστευτα ισχυρών σωματιδίων, τα οποία πιστεύεται ότι προέρχονται από βίαιες κοσμικές εκρήξεις όπως υπερκαινοφανείς αστέρες, ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες ή συγκρούσεις αστέρων νετρονίων.
Σημασία για την αστροφυσική
Αυτή η θεωρία των υπερβαρέων πυρήνων προσφέρει μια νέα οπτική για την κατανόηση της φύσης και της προέλευσης των υπερυψηλής ενέργειας κοσμικών σωματιδίων. Αν επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να επανεξετάσει τις υπάρχουσες θεωρίες για το πώς τα σωματίδια επιταχύνονται σε τέτοιες υψηλές ενέργειες και πώς διασχίζουν τεράστιες κοσμικές αποστάσεις.
Η έρευνα συνεχίζεται, με επιστήμονες σε όλο τον κόσμο να χρησιμοποιούν ακόμα πιο εξελιγμένα αστεροσκοπεία και ανιχνευτές για να μελετήσουν αυτά τα σπάνια κοσμικά φαινόμενα. Η κατανόηση του σωματιδίου Αματεράσου και άλλων υπερυψηλής ενέργειας κοσμικών σωματιδίων δεν είναι απλώς μια ακαδημαϊκή άσκηση – μπορεί να αποκαλύψει νέες πτυχές των πιο βίαιων διαδικασιών στο σύμπαν και να βοηθήσει στην εξέλιξη της θεμελιώδους φυσικής.