Kozmični delci ekstremnih energij

Do nas ti delci prihajajo iz izvorov zunaj naše galaksije, kažejo rezultati mednarodne študije.
Objavljeno
27. september 2017 17.07
S. R. P.
S. R. P.
Znanstveniki mednarodne kolaboracije Pierre Auger so prejšnji teden v prestižni znanstveni reviji Science objavili izsledke raziskav, ki kažejo, da kozmični delci z več milijonkrat višjimi energijami, kot jih imajo protoni v velikem hadronskem trkalniku LHC, prihajajo iz izvorov zunaj naše galaksije. Pri raziskavah so sodelovali tudi raziskovalci z Univerze v Novi Gorici in Instituta Jožef Stefan.

Dognanja raziskave so po mnenju znanstvenikov revolucionarna. Vprašanje, kako in kje nastajajo kozmični delci ekstremnih energij – znotraj naše galaksije ali zunaj nje – vznemirja astronome in astrofizike že več kot petdeset let. Odgovor zdaj ponujajo rezultati omenjene raziskave.

Kje torej nastajajo ti delci? Članek v reviji Science med najverjetnejše kraje nastanka teh visokoenergijskih delcev uvršča aktivna galaktična jedra. Ta jedra so središča galaksij, v katerih se skrivajo črne luknje, ki požirajo snov iz okolice.

Študija, objavljena v reviji Science, temelji na več kot desetletnem naboru meritev največjega detektorja za kozmične delce na svetu, observatorija Pierre Auger v Argentini. Po mnenju sedanjega predstojnika kolaboracije, prof. Karl-Heinza Kamperta z Univerze v Wuppertalu, smo zdaj bistveno bliže razumevanju dolgoletne uganke, kje in kako kozmični delci ekstremnih energij nastajajo. »Naša meritev ponuja nedvoumen dokaz, da so izvori zunaj naše galaksije,« zatrjuje Kampert.

Raziskovalci iz Slovenije vključeni že od začetka

V mednarodni kolaboraciji Pierre Auger sodeluje več kot štiristo znanstvenikov, inženirjev in tehnikov iz osemnajstih držav. Skupina slovenskih raziskovalcev je v njej aktivna že od nastajanja idejne zasnove observatorija Pierre Auger. Leta 1994 je Nobelov nagrajenec za fiziko James Cronin, zaslužni profesor Univerze v Chicagu in častni doktor Univerze v Novi Gorici, povabil prof. dr. Danila Zavrtanika, da se pridruži projektu. Temeljni kamen observatorija je bil položen 17. marca 1999 v argentinski provinci Mendoza, kjer od januarja 2004 neprekinjeno meri lastnosti kozmičnih delcev ekstremnih energij.

Delo v kolaboraciji Pierre Auger je pravo mednarodno partnerstvo, saj nobena od sodelujočih držav ni prispevala večinskega deleža za gradnjo, ki je stala 54 milijonov dolarjev, oziroma za obratovanje observatorija. Poleg raziskovalnih nalog slovenske skupine je bil njen vodja dr. Zavrtanik tudi dolgoletni predsednik njenega najvišjega organa, sveta kolaboracije. Drugi člani slovenske skupine so prof. dr. Samo Stanič, doc. dr. Sergey Vorobyev, doc. dr. Lili Yang, dr. Ahmed Saleh, mlada raziskovalca Gašper Kukec Mezek in Marta Trini z novogoriške univerze ter prof. dr. Andrej Filipčič in prof. dr. Marko Zavrtanik z IJS. Raziskovalno delo slovenske skupine finančno podpira javna agencija za raziskovalno dejavnost.

Redki, a hitri delci silnih energij

Kozmični delci ekstremnih energij so protoni in atomska jedra različnih elementov, od helija do železa, ki skozi vesoljska prostranstva potujejo skoraj s svetlobno hitrostjo. So izredno redki, saj Zemljo zadene le en tak delec na kvadratni kilometer na stoletje, tako da je za študij njihovih lastnosti in izvorov potreben orjaški detektor.

Observatorij Pierre Auger določa lastnosti kozmičnih delcev ekstremnih energij z meritvami plazov nabitih delcev, nastalih ob trkih z atomskimi jedri atmosferskih plinov, v kar 45.000 kubičnih kilometrih zemeljske atmosfere nad njim. Detektorski sistem sestavljajo mreža 1660 talnih detektorjev, razporejenih po površini 3000 kvadratnih kilometrov, in 24 posebnih teleskopov za meritev šibke fluorescenčne svetlobe, ki jo plazovi povzročajo. Kombinacijo teleskopov za meritev fluorescenčne svetlobe in detektorjev, ki zaznavajo delce iz plazu, ko zadenejo tla, so prvič uporabili prav v observatoriju Pierre Auger in se je izkazala za izredno učinkovito pri meritvah, saj lahko vpadne smeri kozmičnih delcev ekstremnih energij določi z natančnostjo, boljšo od ene kotne stopinje, pojasnjujejo raziskovalci.

Nova raziskava – priložnost tudi za študente v Sloveniji

»Analiza vpadnih smeri več kot 30.000 kozmičnih delcev iz dosedanjih meritev je pokazala približno šestodstotni presežek iz smeri razmeroma velikega dela neba, kjer je porazdelitev bližnjih galaksij visoka in ki je kar 120 stopinj stran od smeri središča naše galaksije,« pojasnjuje dr. Danilo Zavrtanik. Kot dodaja, to kaže, da ti visokoenergijski delci nimajo izvora v naši galaksiji, ampak zunaj nje.

»Za zdaj meritve še ne morejo identificirati samih izvorov, saj se delci pri obravnavanih energijah občutno odklanjajo v magnetnem polju naše galaksije, kar pravo lokacijo izvora na nebu 'premakne' glede na izmerjeno,« pojasnjuje dr. Zavrtanik.

Raziskovalna skupina pri tem projektu že načrtuje novo, natančnejšo raziskavo pri še višjih energijah, z uporabo ene same izbrane vrste kozmičnih delcev – protonov, na katere ima magnetno polje kar najmanjši vpliv. Študijo bo omogočila nadgradnja observatorija Pierre Auger, ki bo končana prihodnje leto.

»Z nadgrajenim observatorijem se odpirajo nove možnosti vrhunskih raziskav in mednarodnih izkušenj tudi slovenskim študentom, ki se bodo odločili za študij fizike in astrofizike na Univerzi v Novi Gorici,« sporoča dr. Zavrtanik.