Az Univerzum legnagyobb részecskegyorsítói

641

A Föld légkörébe időről-időre roppant nagy energiájú, a fénysebességhez nagyon közeli sebességgel mozgó részecskék csapódnak. A légkör molekuláival ütközve másodlagos részecskék egész záporát indítják útnak, amelyek akár 40 négyzetkilométeres területen is szóródhatnak a felszínre érkezéskor. (A legnagyobb észlelt energiák 1019-1020 eV
körüliek, ami megfelel egy elütött teniszlabda mozgási energiájának –
csak éppen egyetlen proton hordozza ezt az elemi részecskék számára
elképzelhetetlenül nagy energiát!) A jelenséget első ízben Pierre Victor Auger (1899-1993) francia fizikusnak sikerült észlelnie 1938-ban, s a hatalmas energiájú részecskék keletkezési mechanizmusát és pontos születési helyét nagyrészt azóta is homály fedi.  Most azonban a francia kutatóról elnevezett Pierre Auger Obszervatórium kutatóinak a Science c. folyóiratban november 9-én megjelent közleménye szerint valószínűsíthetően sikerült ezen részecskék eredetének nyomára bukkanni.

Argentína Mendoza tartományában 1999 márciusában kezdték el a különleges obszervatórium építését. A létesítmény 54 millió dolláros költségéhez 17 ország járult hozzá, amelyeknek összesen 370 kutatója dolgozik az intézményben. A részecskedetektorok telepítését és tesztelését követően a valódi adatgyűjtés 2004 januárjában kezdődhetett meg. Az obszervatórium területe 3000 négyzetkilométerre rúg, amelyen 1600 egyedi részecskedetektor áll készen a légkörben kiváltott rajok tagjainak észlelésére. Ezek mellett 24, különlegesen e célra tervezett távcső fürkészi az eget egy-egy szélsőségesen nagy energiájú kozmikus részecske becsapódásakor kiváltott fluoreszcens fényjelenségek után kutatva.

A dombtetőn az egyik, fluoreszcens jelenségek észlelésére készített műszer, az előtérben pedig az 1600 részecskedetektor egyike.

A berendezések eddig közel egymillió esemény adatait rögzítették. A beérkező kozmikus sugarak azonban energiájuktól függően eltérő módon viselkednek a kozmikus térben. A viszonylag kis energiájú részecskék útvonala jelentős mértékben megváltozik, ahogyan a galaktikus és intergalaktikus mágneses terekkel kölcsönhatnak, így becsapódásuk irányából lehetetlen következtetni a kibocsátó forrásra. Ezzel szemben a legnagyobb energiájú kozmikus részecskék nagyon gyengén hatnak kölcsön az őket körülvevő mágneses terekkel, ennek következtében érkezésük iránya jó közelítéssel megegyezik keletkezési helyük égbolton látszó helyzetével. A nemzetközi kutatócsoport összesen 81 olyan eseményt detektált eddig, amelyben a kozmikus sugarak energiája meghaladta a 4×1019 eV-ot (40 exaelektronvoltot).  Ezek közül is a 27 legnagyobb energiájú (57 EeV-ot meghaladó) esemény tüzetesebb vizsgálatában a kozmikus sugarak felvillanási helyét a már ismert, 318 aktív galaxismag égi helyzetével összevetve azt találták, hogy a kozmikus sugarak a déli égboltról nem véletlenszerű eloszlásban érkeztek, hanem pozícióik igen jó egyezést mutattak aktív galaxismagokkal. Ugyanakkor a megfigyelések arra is rámutattak, hogy a 60 EeV feletti energiájú részecskék a Világegyetemben mindenütt jelen levő mikrohullámú kozmikus háttérsugárzással kölcsönhatva energiát veszítenek. Az energiaveszteség arányos a Földig megtett úttal, így azt is meg lehetett becsülni, hogy az említett 27 esemény legtöbbjét a Földhöz kozmikus értelemben közel, alig néhány százmillió fényéves környezetben keletkezett kozmikus sugarak váltották ki.

Az észlelt kozmikus sugarak eloszlása az éggömbön. A fekete körök az igen nagy energiájú, a piros csillagok a kisebb energiájú eseményeket jelzik. Kék terület jelzi a Pierre Auger Obszervatórium által lefedett égterületet (a sötétebb részt észlelték legtöbbet).

Milyen égitestek gyorsíthatják fel ennyire a kozmikus részecskéket? Ma már úgy gondoljuk, hogy lényegében minden galaxis magjában található egy nagyon nagy tömegű fekete lyuk, jellemzően néhány milliótól néhány milliárd naptömegig terjedő tömeggel. Ezeknek csak egy része észlelhető aktív galaxismagként, amit a központi fekete lyuk környezetének rendkívül intenzív sugárzása árul el. Az elképzelések szerint a jelenleg aktív galaxismagokként megfigyelhető képződményeket az elmúlt néhány százmillió év során lezajlott, másik galaxissal történt ütközés, vagy hasonló nagyenergiájú folyamat indíthatta be. Az aktív galaxismagok fekete lyukai körül kiterjedt anyagbefogási korong alakul ki, amely nagy hatékonysággal alakítja át a behulló anyag gravitációs helyzeti energiáját elektromágneses sugárzássá. Az energia mellett nagyenergiájú részecskesugárzás forrásai is, az azonban mind a mai napig bizonytalan, hogy hogyan képesek ezek a természetes részecskegyorsítók százmilliószor nagyobb energiákra gyorsítani a részecskéket, mint a fizikusok legnagyobb földi berendezései.

A legnépszerűbb elképzelések szerint a központi fekete lyukakból kiinduló relativisztikus gázsugarak, azaz jetek kulcsfontosságú szerepet játszhatnak. A legnagyobb rádiójetek hatalmas, akár egy millió fényév méretet is elérhetnek, s bennük a fajlagosan nem túl erős elektromágneses tér a hatalmas távolságokon már képes felgyorsítani a töltött elemi részecskéket az észlelt energiákra. A pontos mechanizmus felderítése még sok kutatást igényel, s a terület további fejlődésével megnyílhat az út a csillagászat új ága, a “kozmikussugár-csillagászat” irányába is – a kirajzolódó kép pedig az Univerzum eddig teljesen ismeretlen oldalát mutathatja be. Minthogy azonban a legnagyobb energiájú kozmikus részecskék viszonylag ritkán érik a Földet, további, nagy kiterjedésű obszervatóriumok létesítésére lesz szükség a jelenleg évi átlagosan 30 eseményt rögzítő Pierre Auger Obszervatórium mellett. A kutatók nagy reményeket fűznek egy Coloradóban megépítendő obszervatóriumhoz, amely az északi égbolt bevonásával a teljes ég lefedését tenné lehetővé.

Forrás: Pierre Auger Obszervatórium

Hozzászólás

hozzászólás