Pierwsza obserwacja pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego
Badacze z eksperymentu KASCADE-Grande, wśród których są naukowcy Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), po raz pierwszy zaobserwowali pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sądzą, że cząstki kosmiczne o energiach powyżej tzw. „kolana” mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.
W eksperymencie KASCADE-Grande po raz pierwszy zaobserwowano pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne, rejestrując charakterystyczną strukturę w widmie cząstek lekkich promieniowania kosmicznego. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sformułowali wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego o wyższych energiach niż 1017 elektronowoltów mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.
„Strumień promieni kosmicznych, czyli tak zwanych cząstek pierwotnych, bardzo szybko ubywa wraz ze wzrostem energii. Nieco powyżej 1015 elektronowoltów szybkość tego ubywania (nachylenie widma) jeszcze bardziej wzrasta, można wtedy w widmie promieniowania kosmicznego zaobserwować załamanie, zwane „kolanem” – mówi prof. dr hab. Janusz Zabierowski z Zakładu Promieniowania Kosmicznego NCBJ, kierownik polskiej grupy w eksperymencie i przewodniczący Komitetu Sterującego Współpracy KASCADE-Grande – „W oparciu o wyniki KASCADE-Grande, które kilka lat temu wyjaśniły wieloletnią zagadkę powstawania „kolana”, sformułowano wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego mogą być generowane i gromadzone w naszej Drodze Mlecznej jedynie do energii około 1017 elektronowoltów”.
Dotąd przejście od składowej galaktycznej promieniowania kosmicznego do składowej pozagalaktycznej spodziewane było nieco powyżej energii 1018 elektronowoltów. Z teorii powstawania kolana wynika, że przejście do pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego powinno się uwidocznić najpierw w widmie lekkich cząstek pierwotnych, gdyż to one pierwsze opuszczają swoje macierzyste galaktyki. Zidentyfikowanie takiej struktury w widmie składowej lekkiej przy stosunkowo niższych energiach wspiera teorie przewidujące taki wczesny wkład od źródeł pozagalaktycznych.
Strumień cząstek promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach jest za słaby, żeby mierzyć go za pomocą balonów stratosferycznych czy aparatury na satelitach. Dlatego głównym detektorem używanym przez astrofizyków do badania wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego jest atmosfera naszej planety. Gdy wpada w nią cząstka promieniowania o wielkiej energii, zderza się z atomami i cząsteczkami powietrza. Powstaje wówczas wiele cząstek o dużych energiach, które w kolejnych zderzeniach inicjują dalsze rozpady. W rezultacie do powierzchni Ziemi, z prędkością bliską świetlnej, dociera lawina licząca wiele milionów cząstek – zwana wielkim pękiem atmosferycznym - nierzadko pokrywająca obszar wielkości miasta, a niekiedy nawet województwa.
Detektor KASCADE-Grande zaprojektowano specjalnie do rejestrowania wielkich pęków atmosferycznych. Instalacja, znajdująca się na terenie Kampusu Północnego Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), w Niemczech, składała się początkowo z sieci instrumentów pomiarowych rozmieszczonych w kwadracie o boku 200 m (KASCADE). W pierwszych latach bieżącego wieku sieć rozbudowano, dodając 37 stacji detektorowych w kwadracie o boku 700 m, tworząc detektor KASCADE-Grande (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector with Grande extension). Międzynarodowa Współpraca KASCADE-Grande obejmuje dziesięć instytucji naukowych z Brazylii, Holandii, Niemiec, Meksyku, Polski, Rumunii i Włoch. Narodowe Centrum Badań Jądrowych bierze udział w projekcie od jego pierwszej wersji - KASCADE, czyli od 1989 roku (wówczas jako Instytut Problemów Jądrowych).
To właśnie w detektorze KASCADE-Grande po raz pierwszy przebadano cały zakres energii promieniowania kosmicznego, w którym występowało charakterystyczne załamanie widma energii, zwane „kolanem”. W efekcie stwierdzono, że kolano występuje przy różnych energiach dla lekkich i ciężkich cząstek pierwotnych promieniowania. Położenie kolana zależy od ładunku jądra atomowego: KASCADE-Grande wykryła „kolano żelazowe” przy energii 26 razy wyższej od tej, przy której występuje kolano w widmie jąder wodoru. Najnowsze obserwacje eksperymentu KASCADE-Grande wykazują powyżej energii 1017 elektronowoltów zmniejszenie stromizny (spłaszczenie, zwane także „anty-kolanem” lub „kostką”) widma lekkich cząstek pierwotnych. Naukowcy twierdzą, że jest to dowód na obecność nowej, pozagalaktycznej komponenty w promieniowaniu kosmicznym. Ten ważny dla astrofizyki wynik badawczy został ostatnio opublikowany w czasopiśmie „Physical Review D”, D 87, No. 081101 (R), 2013.
Przyszłe wyniki eksperymentów badających promienie kosmiczne przy najwyższych energiach, takich jak np. Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie, pozwolą na weryfikację, czy rzeczywiście wysokoenergetyczne lekkie cząstki zmierzone przez KASCADE-Grande pochodzą z innej galaktyki.
Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sądzą, że cząstki kosmiczne o energiach powyżej tzw. „kolana” mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.
W eksperymencie KASCADE-Grande po raz pierwszy zaobserwowano pozagalaktyczne promieniowanie kosmiczne, rejestrując charakterystyczną strukturę w widmie cząstek lekkich promieniowania kosmicznego. Na podstawie otrzymanych wyników naukowcy sformułowali wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego o wyższych energiach niż 1017 elektronowoltów mają swoje źródło poza Drogą Mleczną.
- Strumień promieni kosmicznych, czyli tak zwanych cząstek pierwotnych, bardzo szybko ubywa wraz ze wzrostem energii. Nieco powyżej 1015 elektronowoltów szybkość tego ubywania (nachylenie widma) jeszcze bardziej wzrasta, można wtedy w widmie promieniowania kosmicznego zaobserwować załamanie, zwane „kolanem” – mówi prof. dr hab. Janusz Zabierowski z Zakładu Promieniowania Kosmicznego NCBJ, kierownik polskiej grupy w eksperymencie i przewodniczący Komitetu Sterującego Współpracy KASCADE-Grande. – W oparciu o wyniki KASCADE-Grande, które kilka lat temu wyjaśniły wieloletnią zagadkę powstawania „kolana”, sformułowano wniosek, że pierwotne cząstki promieniowania kosmicznego mogą być generowane i gromadzone w naszej Drodze Mlecznej jedynie do energii około 1017 elektronowoltów”.
Dotąd przejście od składowej galaktycznej promieniowania kosmicznego do składowej pozagalaktycznej spodziewane było nieco powyżej energii 1018 elektronowoltów. Z teorii powstawania kolana wynika, że przejście do pozagalaktycznego promieniowania kosmicznego powinno się uwidocznić najpierw w widmie lekkich cząstek pierwotnych, gdyż to one pierwsze opuszczają swoje macierzyste galaktyki.
Zidentyfikowanie takiej struktury w widmie składowej lekkiej przy stosunkowo niższych energiach wspiera teorie przewidujące taki wczesny wkład od źródeł pozagalaktycznych. Strumień cząstek promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach jest za słaby, żeby mierzyć go za pomocą balonów stratosferycznych czy aparatury na satelitach.
Dlatego głównym detektorem używanym przez astrofizyków do badania wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego jest atmosfera naszej planety. Gdy wpada w nią cząstka promieniowania o wielkiej energii, zderza się z atomami i cząsteczkami powietrza. Powstaje wówczas wiele cząstek o dużych energiach, które w kolejnych zderzeniach inicjują dalsze rozpady. W rezultacie do powierzchni Ziemi, z prędkością bliską świetlnej, dociera lawina licząca wiele milionów cząstek – zwana wielkim pękiem atmosferycznym - nierzadko pokrywająca obszar wielkości miasta, a niekiedy nawet województwa.
Detektor KASCADE-Grande zaprojektowano specjalnie do rejestrowania wielkich pęków atmosferycznych. Instalacja, znajdująca się na terenie Kampusu Północnego Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), w Niemczech, składała się początkowo z sieci instrumentów pomiarowych rozmieszczonych w kwadracie o boku 200 m (KASCADE). W pierwszych latach bieżącego wieku sieć rozbudowano, dodając 37 stacji detektorowych w kwadracie o boku 700 m, tworząc detektor KASCADE-Grande (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector with Grande extension). Międzynarodowa Współpraca KASCADE-Grande obejmuje dziesięć instytucji naukowych z Brazylii, Holandii, Niemiec, Meksyku, Polski, Rumunii i Włoch.
Narodowe Centrum Badań Jądrowych bierze udział w projekcie od jego pierwszej wersji - KASCADE, czyli od 1989 roku (wówczas jako Instytut Problemów Jądrowych).
To właśnie w detektorze KASCADE-Grande po raz pierwszy przebadano cały zakres energii promieniowania kosmicznego, w którym występowało charakterystyczne załamanie widma energii, zwane „kolanem”. W efekcie stwierdzono, że kolano występuje przy różnych energiach dla lekkich i ciężkich cząstek pierwotnych promieniowania.
Położenie kolana zależy od ładunku jądra atomowego: KASCADE-Grande wykryła „kolano żelazowe” przy energii 26 razy wyższej od tej, przy której występuje kolano w widmie jąder wodoru. Najnowsze obserwacje eksperymentu KASCADE-Grande wykazują powyżej energii 1017 elektronowoltów zmniejszenie stromizny (spłaszczenie, zwane także „anty-kolanem” lub „kostką”) widma lekkich cząstek pierwotnych. Naukowcy twierdzą, że jest to dowód na obecność nowej, pozagalaktycznej komponenty w promieniowaniu kosmicznym. Ten ważny dla astrofizyki wynik badawczy został ostatnio opublikowany w czasopiśmie „Physical Review D”.
Przyszłe wyniki eksperymentów badających promienie kosmiczne przy najwyższych energiach, takich jak np. Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie, pozwolą na weryfikację, czy rzeczywiście wysokoenergetyczne lekkie cząstki zmierzone przez KASCADE-Grande pochodzą z innej galaktyki.
(ew/NCBJ)
