Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει ένα κοινό μοτίβο στις κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας, από πρωτόνια έως βαρείς πυρήνες όπως ο σίδηρος
Περισσότερο από 100 χρόνια μετά την ανακάλυψή τους, οι κοσμικές ακτίνες συνεχίζουν να προβληματίζουν τους επιστήμονες.
Αυτά τα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας σωματίδια ταξιδεύουν σε όλο το σύμπαν από μακρινές και ισχυρές πηγές.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) προσπαθεί να κατανοήσει καλύτερα τη φύση τους, συμπεριλαμβανομένου του κατά πόσο η σκοτεινή ύλη παίζει ρόλο στον τρόπο δημιουργίας τους.
Αυτό το διεθνές πρόγραμμα, στο οποίο συμμετέχει και το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE), αποκάλυψε τώρα ένα σημαντικό νέο στοιχείο.
Οι ερευνητές εντόπισαν ένα κοινό χαρακτηριστικό ανάμεσα σε αυτά τα σωματίδια και τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature.
Το μυστήριο των κοσμικών ακτίνων
Οι κοσμικές ακτίνες είναι τα σωματίδια με τη μεγαλύτερη ενέργεια που έχουν ανιχνευθεί ποτέ, ξεπερνώντας κατά πολύ οτιδήποτε μπορεί να παραχθεί από ανθρώπινους επιταχυντές στη Γη.
Η προέλευσή τους παραμένει αβέβαιη, αν και οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι δημιουργούνται σε ακραία περιβάλλοντα όπως εκρήξεις υπερκαινοφανών (supernovae), πίδακες μαύρων τρυπών ή πάλσαρ.
Το τηλεσκόπιο DAMPE εκτοξεύθηκε τον Δεκέμβριο του 2015 και σχεδιάστηκε για να διερευνήσει αυτά τα ερωτήματα. Η αποστολή περιλαμβάνει σημαντική συμβολή από την ομάδα αστροφυσικής του Τμήματος Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (DPNC) του UNIGE.
Αναλύοντας εξαιρετικά ακριβή δεδομένα, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα σταθερό μοτίβο στην κατανομή ενέργειας των πρωτογενών πυρήνων κοσμικών ακτίνων, από πρωτόνια έως σίδηρο.
«Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια, αλλά και από πυρήνες ηλίου, άνθρακα, οξυγόνου και σιδήρου», εξηγεί ο Andrii Tykhonov, αναπληρωτής καθηγητής στο DPNC της Σχολής Θετικών Επιστημών του UNIGE και συν-συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτά τα σωματίδια ταξινομούνται επίσης ανάλογα με την ενέργειά τους: χαμηλή, έως μερικά δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ· ενδιάμεση, από μερικά δισεκατομμύρια έως αρκετές εκατοντάδες δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ· και υψηλή, από 1.000 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ και πάνω».
Η ομάδα διαπίστωσε ότι ο αριθμός των σωματιδίων μειώνεται πιο απότομα μετά από ένα συγκεκριμένο ενεργειακό όριο.
Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως «φασματική μαλάκυνση» (spectral softening), αντανακλά μια πιο απότομη πτώση από τη συνήθη σταδιακή μείωση καθώς αυξάνεται η ενέργεια.
Επιπτώσεις στη φυσική των κοσμικών ακτίνων
Αυτή η αλλαγή συμβαίνει σε μια «ακαμψία» περίπου 15 TV (τεραηλεκτρονιοβόλτ), δηλαδή περίπου 15 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Η ακαμψία περιγράφει πόσο επηρεάζεται η πορεία ενός σωματιδίου από τα μαγνητικά πεδία.
Η εύρεση του ίδιου μοτίβου σε αυτή την τιμή ακαμψίας για διαφορετικούς τύπους πυρήνων υποστηρίζει μοντέλα στα οποία τόσο η επιτάχυνση όσο και η κίνηση των κοσμικών ακτίνων εξαρτώνται από την ακαμψία.
Εναλλακτικές θεωρίες που βασίζονται στην ενέργεια ανά νουκλεόνιο (ενέργεια διαιρεμένη με τον αριθμό των νουκλεονίων στο σωματίδιο) αμφισβητούνται έντονα από τα δεδομένα, με αξιοπιστία 99,999%.
Ερευνητές του UNIGE είχαν καθοριστικό ρόλο σε αυτή τη μελέτη. Ανέπτυξαν προηγμένες μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για την ανακατασκευή γεγονότων σωματιδίων και συνέβαλαν σε ακριβείς μετρήσεις ροών πρωτονίων και ηλίου, καθώς και στην ανάλυση άνθρακα.
Η ομάδα επίσης ηγήθηκε της ανάπτυξης ενός σημαντικού οργάνου του DAMPE, του Silicon-Tungsten Tracker (STK), το οποίο επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθούν με ακρίβεια τις τροχιές των σωματιδίων και να μετρούν το φορτίο τους.
Αυτά τα ευρήματα φέρνουν τους επιστήμονες πιο κοντά στην κατανόηση του πού προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες και πώς ταξιδεύουν μέσα στον γαλαξία.
Τα αποτελέσματα θέτουν νέα όρια στις θεωρίες για την επιτάχυνση σωματιδίων σε ακραία αστροφυσικά περιβάλλοντα και βελτιώνουν τα μοντέλα για τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα σωματίδια κινούνται στο διαστρικό χώρο.
www.bankingnews.gr
Αυτά τα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας σωματίδια ταξιδεύουν σε όλο το σύμπαν από μακρινές και ισχυρές πηγές.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) προσπαθεί να κατανοήσει καλύτερα τη φύση τους, συμπεριλαμβανομένου του κατά πόσο η σκοτεινή ύλη παίζει ρόλο στον τρόπο δημιουργίας τους.
Αυτό το διεθνές πρόγραμμα, στο οποίο συμμετέχει και το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE), αποκάλυψε τώρα ένα σημαντικό νέο στοιχείο.
Οι ερευνητές εντόπισαν ένα κοινό χαρακτηριστικό ανάμεσα σε αυτά τα σωματίδια και τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature.
Το μυστήριο των κοσμικών ακτίνων
Οι κοσμικές ακτίνες είναι τα σωματίδια με τη μεγαλύτερη ενέργεια που έχουν ανιχνευθεί ποτέ, ξεπερνώντας κατά πολύ οτιδήποτε μπορεί να παραχθεί από ανθρώπινους επιταχυντές στη Γη.
Η προέλευσή τους παραμένει αβέβαιη, αν και οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι δημιουργούνται σε ακραία περιβάλλοντα όπως εκρήξεις υπερκαινοφανών (supernovae), πίδακες μαύρων τρυπών ή πάλσαρ.
Το τηλεσκόπιο DAMPE εκτοξεύθηκε τον Δεκέμβριο του 2015 και σχεδιάστηκε για να διερευνήσει αυτά τα ερωτήματα. Η αποστολή περιλαμβάνει σημαντική συμβολή από την ομάδα αστροφυσικής του Τμήματος Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (DPNC) του UNIGE.
Αναλύοντας εξαιρετικά ακριβή δεδομένα, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα σταθερό μοτίβο στην κατανομή ενέργειας των πρωτογενών πυρήνων κοσμικών ακτίνων, από πρωτόνια έως σίδηρο.
«Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια, αλλά και από πυρήνες ηλίου, άνθρακα, οξυγόνου και σιδήρου», εξηγεί ο Andrii Tykhonov, αναπληρωτής καθηγητής στο DPNC της Σχολής Θετικών Επιστημών του UNIGE και συν-συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτά τα σωματίδια ταξινομούνται επίσης ανάλογα με την ενέργειά τους: χαμηλή, έως μερικά δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ· ενδιάμεση, από μερικά δισεκατομμύρια έως αρκετές εκατοντάδες δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ· και υψηλή, από 1.000 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ και πάνω».
Η ομάδα διαπίστωσε ότι ο αριθμός των σωματιδίων μειώνεται πιο απότομα μετά από ένα συγκεκριμένο ενεργειακό όριο.
Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως «φασματική μαλάκυνση» (spectral softening), αντανακλά μια πιο απότομη πτώση από τη συνήθη σταδιακή μείωση καθώς αυξάνεται η ενέργεια.
Επιπτώσεις στη φυσική των κοσμικών ακτίνων
Αυτή η αλλαγή συμβαίνει σε μια «ακαμψία» περίπου 15 TV (τεραηλεκτρονιοβόλτ), δηλαδή περίπου 15 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Η ακαμψία περιγράφει πόσο επηρεάζεται η πορεία ενός σωματιδίου από τα μαγνητικά πεδία.
Η εύρεση του ίδιου μοτίβου σε αυτή την τιμή ακαμψίας για διαφορετικούς τύπους πυρήνων υποστηρίζει μοντέλα στα οποία τόσο η επιτάχυνση όσο και η κίνηση των κοσμικών ακτίνων εξαρτώνται από την ακαμψία.
Εναλλακτικές θεωρίες που βασίζονται στην ενέργεια ανά νουκλεόνιο (ενέργεια διαιρεμένη με τον αριθμό των νουκλεονίων στο σωματίδιο) αμφισβητούνται έντονα από τα δεδομένα, με αξιοπιστία 99,999%.
Ερευνητές του UNIGE είχαν καθοριστικό ρόλο σε αυτή τη μελέτη. Ανέπτυξαν προηγμένες μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για την ανακατασκευή γεγονότων σωματιδίων και συνέβαλαν σε ακριβείς μετρήσεις ροών πρωτονίων και ηλίου, καθώς και στην ανάλυση άνθρακα.
Η ομάδα επίσης ηγήθηκε της ανάπτυξης ενός σημαντικού οργάνου του DAMPE, του Silicon-Tungsten Tracker (STK), το οποίο επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθούν με ακρίβεια τις τροχιές των σωματιδίων και να μετρούν το φορτίο τους.
Αυτά τα ευρήματα φέρνουν τους επιστήμονες πιο κοντά στην κατανόηση του πού προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες και πώς ταξιδεύουν μέσα στον γαλαξία.
Τα αποτελέσματα θέτουν νέα όρια στις θεωρίες για την επιτάχυνση σωματιδίων σε ακραία αστροφυσικά περιβάλλοντα και βελτιώνουν τα μοντέλα για τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα σωματίδια κινούνται στο διαστρικό χώρο.
www.bankingnews.gr
Σχόλια αναγνωστών