Błyski radiowe mogą pomóc w odkryciu tajemnicy pochodzenia promieniowania kosmicznego
Źródło promieniowania kosmicznego – naładowanych cząstek, poruszających się z prędkością bliską prędkości światła – jest jedną z najstarszych zagadek astronomii. Podczas gdy światło biegnie ze źródła do przyrządów pomiarowych astronomów mniej więcej w linii prostej, promienie kosmiczne ulegają zakrzywieniu przez pola magnetyczne, co utrudnia zlokalizowanie ich pochodzenia. Twórcy finansowanego ze środków UE projektu LOFAR jako pierwsi opracowali nowoczesną metodę radioteleskopowych obserwacji promieniowania kosmicznego, aby dowiedzieć się na jego temat czegoś więcej. Promieniowanie kosmiczne nie zawsze jest takie samo, a zakresy jego energii również mogą być różne i zależeć od masy oraz prędkości cząstek. Cząstki o niższej energii, wynoszącej 10^15 eV, mogą pochodzić z pozostałości po supernowych znajdujących się w rdzeniu Drogi Mlecznej, gdzie „serfują” po obrzeżach wybuchających gwiazd, stopniowo zwiększając swoją prędkość. Na razie jednak nie udało się wykazać istnienia w naszej galaktyce mechanizmu, który pozwalałby zwiększać prędkość ruchu cząstek do takich energii, jakie czasami udaje się zaobserwować. To zaś wskazuje na pozagalaktyczne pochodzenia promieniowania kosmicznego. „Wysokoenergetyczne pozostałości po supernowych mogą być źródłem stokrotnie silniejszej energii niż 10^15 eV, jednak przy użyciu metod teoretycznych trudno jest ustalić źródło zdolne do wytworzenia jeszcze wyższych energii”, wyjaśnia koordynator projektu Stijn Buitink.
Odwiedziny obcych
Wskazanie dokładnego poziomu energii, powyżej którego należy już mówić o pozagalaktycznym źródle promieniowania kosmicznego, pomoże astronomom w zrekonstruowaniu prawdopodobnych warunków, w jakich to promieniowanie powstaje. Aby tego dokonać, najpierw muszą wykonać szereg pomiarów, czego z pewnością nie ułatwia fakt, że obserwacja promieniowania kosmicznego stanowi duże wyzwanie. Rocznie na jeden kilometr kwadratowy powierzchni Ziemi przypada jedna cząstka promieniowania kosmicznego o energii 10^15 eV , co powoduje, że stosowanie detektorów naziemnych jest pozbawione celu. Zwykle astronomowie badają słabą fluorescencję powstającą w momencie, gdy promieniowanie kosmiczne dociera do atmosfery i jego cząstki zderzają się z cząsteczkami powietrza. Jednak takie badania mogą być prowadzone wyłącznie w bezgwiezdną noc. Buitnik wraz z zespołem z VUB w Belgii zastosował nową technikę, polegającą na identyfikowaniu cząstek promieniowania kosmicznego na podstawie błysków radiowych, jakie emitują w momencie zderzenia z ziemską atmosferą. „Te błyski trwają zaledwie krótką chwilę, dziesiąte części nanosekundy”, dodaje Buitink. Sygnały te wykryto dzięki technologii LOFAR – ustawionych w grupie 20 000 małych anten radiowych znajdujących się na terytorium Holandii. Aby odróżnić krótkie błyski radiowe promieniowania kosmicznego od źródeł pochodzenia ludzkiego, takich jak świece zapłonowe w silnikach samochodów, LOFAR korzysta z detektorów, które wykrywają strumień cząstek wtórnych. Strumienie te powstają na skutek zderzenia promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery. „Dzięki technologii LOFAR wykazaliśmy, że możemy monitorować promieniowanie kosmiczne za pomocą urządzeń radiowych z dużą dokładnością, porównywalną do technik tradycyjnych”, mówi Buitink. Nowa technika pozwoli badaczom na obserwowanie promieniowania kosmicznego we wszystkich warunkach świetlnych, na dużych połaciach nieba.
Metale ciężkie
Promieniowanie kosmiczne składające się z cząstek o większej masie, takich jak żelazo czy ołów, dociera do głębszych warstw atmosfery, dlatego po zlokalizowaniu źródła błysków radiowych Buitink i jego zespół zdołali ustalić skład pierwiastkowy wykrytych promieni kosmicznych oraz obliczyć poziomy energii poszczególnych pierwiastków. Jednak wyniki otrzymane przez badaczy z projektu LOFAR nie do końca pokrywają się z tymi pochodzącymi z badań, w których wykorzystuje się metodę fluorescencji powietrza. „Albo jest jakiś aspekt pomiarów, którego nie rozumiemy, albo mamy tutaj do czynienia z jakimś interesującym zjawiskiem fizycznym”, zauważa Buitink. „Za to całą pewnością wiemy już, że projekt LOFAR przyczynił się do uzupełnienia pomiarów w oparciu o zupełnie inną technologię, w której występują zupełnie inne niepewności pomiarowe”. Badacze planują udoskonalić system LOFAR, aby mógł działać ciągle i generować tak bardzo potrzebne dane. Buitink chce również wykorzystać radioteleskopy Square Kilometre Array (SKA), rozmieszczane obecnie w Australii, aby móc obserwować promieniowanie kosmiczne z jeszcze większą dokładnością.
Słowa kluczowe
LOFAR, promieniowanie kosmiczne, cząstka naładowana, błyski radiowe, teleskop, supernowa, źródło energii, cząstki wtórne