Ένα μόνο υποατομικό σωματίδιο από το βαθύ διάστημα είχε την ίδια ενέργεια με μια μπάλα ποδοσφαίρου που κινείται με ταχύτητα 58 km/h και οι φυσικοί εξακολουθούν να μην γνωρίζουν πώς έφτασε εδώ

Ο πλανήτης μας δέχεται συνεχή βομβαρδισμό κοσμικής ακτινοβολίας από το διάστημα. Παρά το όνομά τους, οι κοσμικές ακτίνες δεν είναι «ακτίνες» (δηλαδή φως ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), αλλά υποατομικά σωματίδια (πρωτόνια, σωματίδια α, βαρύτεροι πυρήνες, ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, αντιπρωτόνια κλπ) που ταξιδεύουν στο διάστημα με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Ορισμένες κοσμικές ακτίνες προέρχονται από τον ήλιο, άλλες από τον Γαλαξία μας, και άλλες, που ονομάζονται εξωγαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, φτάνουν στη Γη από μακρινούς γαλαξίες αφού έχουν διανύσει τεράστιες αποστάσεις. Έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον το γεγονός ότι η Γη χτυπιέται συστηματικά από σωματίδια προερχόμενα από άλλους γαλαξίες. Διανύουν μια ιλιγγιωδώς τεράστια διαδρομή δεκάδων εκατομμυρίων ετών φωτός, ή και περισσότερων, που τελειώνει όταν μία από αυτές τις αδέσποτες ακτίνες απορροφάται ακίνδυνα από την ατμόσφαιρά μας, πολύ ψηλά πάνω από τα κεφάλια μας.

Η κοσμική ακτίνα που κατέχει τα ρεκόρ ταχύτητας και χαζού ονόματος

Οι κοσμικές ακτίνες φτάνουν στη Γη με ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων και αντίστοιχα, με ένα ευρύ φάσμα ενεργειών. Στο μακροσκοπικό μας σύμπαν, χρησιμοποιούμε ως μονάδα μέτρησης ενέργειας το 1Tζάουλ (Joule). Aν αφήσουμε ένα μήλο να πέσει από ύψος ενός μέτρου, μόλις φτάσει στο έδαφος θα έχει κινητική ενέργεια περίπου 1 Joule. Ωστόσο, οι φυσικοί των σωματιδίων χρησιμοποιούν μια πολύ μικρότερη μονάδα που ονομάζεται ηλεκτρονιοβόλτ (ή eV). H κινητική ενέργεια ενός Τζάουλ, του μήλου που πέφτει ελεύθερα από ύψος ενός μέτρου αντιστοιχεί σε 10 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, δηλαδή 10¹⁹ eV! Γι αυτό τα ηλεκτρονιοβόλτ είναι καταλληλότερη μονάδα για τα υποατομικά σωματίδια του μικροκόσμου. Οι κοσμικές ακτίνες κινούνται τόσο γρήγορα – κοντά στην ταχύτητα του φωτός – που μπορούν να έχουν πολύ υψηλή κινητική ενέργεια, φτάνοντας εύκολα στο επίπεδο των μεγα-ηλεκτρονιοβολτ (1 MeV=10⁶eV) και γιγα-ηλεκτρονιοβολτ (1 GeV=10⁹eV).

Αλλά, παραδόξως, ορισμένες κοσμικές ακτίνες έχουν πολύ, πολύ υψηλότερες ενέργειες και από τα γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ. Στις 15 Οκτωβρίου 1991, ο ανιχνευτής High Resolution Fly’s Eye του Πανεπιστημίου της Utah, ανίχνευσε μια εξωπραγματική κοσμική ακτίνα με ενέργεια πέραν κάθε προσδοκίας: 51 Joules ή 3,2×10²⁰ eV. Αυτή είναι δεκάδες εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την κινητική ενέργεια των πρωτονίων που μπορούμε να επιτύχουμε στους ισχυρότερους επιταχυντές σωματιδίων. Ισοδυναμεί με την κινητική ενέργεια μιας μπάλας ποδοσφαίρου που κινείται με ταχύτητα 58 km/h! Στο σωματίδιο αυτό δόθηκε το ανόητο όνομα «Ω! Θεέ μου (Oh My God)», συντομογραφικά OMG.

Το σωματίδιο OMG αποτελεί ένα μεγάλο μυστήριο. Καταρχάς, για να έχει τόση ενέργεια, πρέπει να ταξίδευε απίστευτα γρήγορα σε σχέση με τη Γη. Υποθέτοντας ότι ήταν πρωτόνιο, κινούνταν με ταχύτητα 99,9999999999999999999995% της ταχύτητας του φωτός. Αν ένα φωτόνιο και το σωματίδιο OMG είχαν ξεκινήσει έναν αγώνα δρόμου από τότε που σχηματίστηκε το σύμπαν, το σωματίδιο τώρα θα έμενε πίσω μόνο 600 μέτρα περίπου.

Αν το OMG χτύπαγε έναν άνθρωπο τι βλάβη θα του προκαλούσε;

Πιθανότατα ο άνθρωπος δεν θα καταλάβαινε καν ότι τον χτύπησε. Το σωματίδιο με ενέργεια 3,2×10²⁰ eV στο πέρασμά του θα προκαλούσε ιονισμό ατόμων των κυττάρων κατά μήκος της διαδρομής του και θα έσπαγε δεσμούς μακρομορίων (DNA κ.ά.). Όμως, οι οργανισμοί είναι συνηθισμένοι να διορθώνουν καθημερινά χιλιάδες τέτοιες βλάβες από την φυσική ακτινοβολία. Αν περνούσε μέσα από τα μάτια μας πιθανότατα να βλέπαμε τις «λάμψεις φωτός» που βλέπουν οι αστροναύτες ακόμα και με κλειστά βλέφαρα εξαιτίας της κοσμικής ακτινοβολίας. Υπάρχει και η μοναδική περίπτωση του Anatoli Bugorski ο οποίος το 1978, στον επιταχυντή στο Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών στο Πρότβινο της ΕΣΣΔ, έβαλε κατά λάθος το κεφάλι του σε εστιασμένη δέσμη με ενέργεια 76 GeV (12,2 nJ = 12,2×10^-9J). Ο ίδιος περιέγραψε ότι είδε μια λάμψη «πιο φωτεινή από χίλιους ήλιους», αλλά παρότι δεν ένιωσε καθόλου πόνο εκείνη τη στιγμή, το γεγονός αυτό του προκάλεσε μόνιμες βλάβες – έχασε την ακοή του από το αριστερό αυτί, επιληπτικές κρίσεις κ.λπ. – αλλά ζει μέχρι σήμερα αποτελώντας μια μοναδική περίπτωση στην ιστορία της πυρηνικής φυσικής. Βέβαια, ο Bugorski δεν χτυπήθηκε από την ενέργεια ενός μόνο σωματιδίου, αλλά από την συνολική ενέργεια 10¹² έως 10¹³ πρωτονίων, που ισούται με πολλές χιλιάδες Joules. Αν το κεφάλι του είχε χτυπηθεί από ένα μόνο πρωτόνιο του επιταχυντή του, δεν θα είχε συμβεί απολύτως τίποτα.

Πώς προέκυψε το σωματίδιο OMG;

Τι θα μπορούσε λοιπόν να εκτοξεύσει ένα σωματίδιο σαν αυτό με τόσο εξωφρενικά υψηλές ταχύτητες; Κρουστικά κύματα, ειδικά σε καταστροφικά υψηλής ενέργειας δομές, όπως οι εστιασμένες δέσμες ύλης και ενέργειας που πηγάζουν από μια υπερμαζική μαύρη τρύπα. Τα ιονισμένα αέρια που εκτινάσσονται ταχύτατα προς τα έξω από τέτοια βίαια φαινόμενα, μεταφέρουν μαζί τους εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία. Τα φορτισμένα υποατομικά σωματίδια (όπως τα πρωτόνια, που έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο) επιταχύνονται καθώς περνούν μέσα από αυτά τα κινούμενα πεδία, φτάνοντας μερικές φορές σε ασύλληπτες ταχύτητες. Αν, όμως, αυτό το αέριο συγκρουστεί με άλλα νέφη αερίων, τα υποατομικά σωματίδια αρχίζουν να αναπηδούν ανάμεσά τους σαν μπαλάκια του πινγκ-πονγκ, κερδίζοντας ενέργεια με κάθε αναπήδηση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται «επιτάχυνση Φέρμι πρώτης τάξης». Μπορούν να αποκτήσουν τόση ενέργεια, που τελικά εκσφενδονίζονται στο διάστημα σαν πέτρες από καταπέλτη.

Ακόμα κι έτσι, το να φτάσουν σωματίδια να κινούνται μόλις μερικά φεμτόμετρα (ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυριοστού του χιλιοστού) ανά δευτερόλεπτο πιο αργά από το ίδιο το φως, είναι κάτι το εξωπραγματικό και δεν είναι ξεκάθαρο ποιες συγκεκριμένες διεργασίες εμπλέκονται. Στον δικό μας Γαλαξία δεν υπάρχει καμία γνωστή πηγή ικανή για κάτι τέτοιο, οπότε το σωματίδιο OMG προήλθε κατά πάσα πιθανότητα από κάποιον άλλον γαλαξία.

 Η δεύτερη υψηλότερης ενέργειας κοσμική ακτίνα που έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα, ονομάζεται Amaterasu (Αματεράσου) από την θεά του Ήλιου στη γιαπωνέζικη μυθολογία. Το σωματίδιο Amaterasu είχε ενέργεια  244×10¹⁸ eV και φαίνεται να προέρχεται από τον γαλαξία PKS 1717+177, ο οποίος είναι γνωστό ότι διαθέτει εξαιρετικά ισχυρούς πίδακες σωματιδίων που εκπέμπονται από την κεντρική μαύρη τρύπα του. Πολλά άλλα παρόμοια σωματίδια έχουν επίσης συνδεθεί με άλλους ενεργούς γαλαξίες.

Όμως, το μυστήριο βαθαίνει. Η ταχύτητα του σωματιδίου OMG ουσιαστικά παραβιάζει έναν βασικό εμπειρικό κανόνα της αστροφυσικής. Το σύμπαν είναι γεμάτο με ακτινοβολία που έχει απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη, η οποία ονομάζεται κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Πρόκειται για ακτινοβολία πολύ χαμηλής ενέργειας, υπό την προϋπόθεση, βέβαια, ότι δεν κινείσαι με τεράστια ταχύτητα σε σχέση με αυτήν.

Ένα σωματίδιο, όμως, που κινείται κοντά στην ταχύτητα του φωτός, «βλέπει» αυτή την ακτινοβολία που έρχεται κατά πάνω του να πολλαπλασιάζεται τρομακτικά σε ενέργεια, εξαιτίας του φαινομένου Doppler. Και σε τέτοιες ταχύτητες, το φαινόμενο αυτό λειτουργεί σε εξωφρενικά ακραίο επίπεδο. Ένα πρωτόνιο που χτυπιέται από τόσο υψηλής ενέργειας φωτόνια, θα έπρεπε λογικά να χάνει ενέργεια και να επιβραδύνεται απότομα.

 Υπάρχει μάλιστα ένα ακόμα πιο αυστηρό όριο: αν τα φωτόνια που συναντά το πρωτόνιο είναι αρκετά ενεργητικά, το πρωτόνιο θα μετατραπεί σε δύο άλλα υποατομικά σωματίδια, ένα νετρόνιο και ένα πιόνιο, τα οποία με τη σειρά τους διασπώνται γρήγορα σε ακόμα περισσότερα σωματίδια. Τελικά, λοιπόν, πρωτόνια τόσο υπερ-υψηλής ενέργειας που προέρχονται από μακρινούς γαλαξίες, δεν θα έπρεπε να φτάνουν ποτέ σε εμάς.

Πώς λοιπόν έφτασε στη Γη το σωματίδιο OMG; Η απάντηση μπορεί να είναι πολύ απλή: ίσως να μην ήταν πρωτόνιο. Οι κοσμικές ακτίνες είναι ένα μείγμα από διάφορα υποατομικά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων πυρήνων ηλίου ή ακόμα και βαρύτερων στοιχείων. Ένας πυρήνας σιδήρου, για παράδειγμα, που είναι «συνήθης ύποπτος» στις κοσμικές ακτίνες, δεν θα επηρεαζόταν με τον ίδιο τρόπο που επηρεάζεται ένα πρωτόνιο, και θα μπορούσε να επιβιώσει σε αυτό το μακρύ ταξίδι μέχρι τη Γη.

Το σωματίδιο OMG είναι η κοσμική ακτινοβολία με την υψηλότερη ενέργεια που έχει ανιχνευθεί ποτέ, αλλά πολλά άλλα έχουν παρατηρηθεί με κάπως χαμηλότερες αλλά και πάλι εντυπωσιακές ενέργειες. Είναι ξεκάθαρο ότι το σύμπαν δεν έχει κανένα πρόβλημα να τα δημιουργήσει, ακόμα κι αν είναι σπάνια.

Πέρα από τον εντυπωσιασμό που προκαλούν, αυτά τα σωματίδια μας λένε και κάτι πολύ σημαντικό για το σύμπαν. Εκεί έξω υπάρχουν «μηχανές» ασύλληπτης ισχύος, ικανές να παράγουν σωματίδια με ενέργειες που δεν θα μπορούσαμε καν να ονειρευτούμε να δημιουργήσουμε στη Γη. Τέτοια επίπεδα ενέργειας ήταν συνηθισμένα, σχεδόν πανταχού παρόντα, στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Επομένως, το να εντοπίζουμε τέτοια σωματίδια σήμερα είναι σαν να ανοίγουμε μια χαραμάδα στον χρόνο και να κρυφοκοιτάμε το πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: «Where did the ‘Oh-My-God’ particle come from?», Phil Plait – https://www.scientificamerican.com/article/where-did-the-oh-my-god-particle-come-from/

Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΔΙΑΣΤΗΜΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: Η ΑΣΚΗΣΗ ΤΗΣ ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ, ΚΟΣΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ, PHYSICS