Droga do zbadania pochodzenia energetycznego promieniowania kosmicznego
Promieniowanie kosmiczne o ultrawysokiej energii(odnośnik otworzy się w nowym oknie) to najbardziej energetyczne cząstki zaobserwowane przez człowieka. Zdaniem Ioany Maris(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z ULB(odnośnik otworzy się w nowym oknie), cząstki przenoszące energię blisko milion razy większą niż te wytwarzane w największym zderzaczu hadronów, jakim dysponuje CERN, są niemożliwe do wytworzenia przy pomocy akceleratorów skonstruowanych przez człowieka. Jak dodaje badaczka: „Według obliczeń wystarczą zaledwie cztery takie cząsteczki, by żarówka o mocy 60 W świeciła przez sekundę”. „Tego rodzaju promieniowanie powstaje w wyniku najbardziej gwałtownych zjawisk zachodzących w naszym Wszechświecie, a zarazem stanowi doskonałą okazję do badania fundamentalnej fizyki cząstek elementarnych. Choć wiemy o ich pozagalaktycznym pochodzeniu, nadal nie wiemy gdzie powstały ani w jaki sposób przyspiesza je galaktyka”, wyjaśnia Maris, koordynatorka finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu GADGET, powołanego w celu zbadania tych zagadnień. Dzięki galaktycznym i pozagalaktycznym polom magnetycznym występującym w całym Wszechświecie, naładowane cząsteczki nie poruszają się prostym torem. Obliczenia ich trajektorii wymagają szczegółowej wiedzy na temat pól magnetycznych występujących na ich drodze. Prace zespołu projektu GADGET koncentrowały się na udoskonaleniu modelowania pola magnetycznego, prowadzeniu nowych pomiarów i zrozumieniu wpływu zjawisk lokalnych, które okazały się kluczowe dla dokładności modelowania.
Tworzenie opisu 3D pól magnetycznych
Zanim został powołany do życia projekt GADGET, jeden z partnerów projektu - https://www.iap.kit.edu/english/contacts_281.php (Michael Unger) - opracował wraz z zespołem trójwymiarowe modele pola magnetycznego przy użyciu dwóch zestawów pomiarów dotyczących promieniowania synchrotronowego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i zjawiska Faradaya(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Rozproszone promieniowanie synchrotronowe (elektromagnetyczne) jest emitowane przez elektrony Drogi Mlecznej krążące wokół pól magnetycznych. Charakteryzuje się długością fal radiowych i prędkościami proporcjonalnymi do zakrzywionej ścieżki utworzonej przez pole magnetyczne, podczas gdy rotacja Faradaya polaryzacji światła z odległych źródeł, takich jak pulsary, zależy od siły pola magnetycznego. Wkład zespołu projektu GADGET polegał na opracowaniu wniosków na temat oddziaływania lokalnego Wszechświata. „Żyjemy w lokalnej pustce, tak zwanym Bąblu Lokalnym - materia wokół nas ma gęstość około 20 razy mniejszą niż ośrodek międzygwiezdny, prawdopodobnie z powodu wielokrotnych eksplozji supernowych, które wyrzuciły materię, wpływając na pola magnetyczne”, wyjaśnia Maris. Korzystając z map gęstości pyłu, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) Vincent Pelgrims(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracował model wyjaśniający sposób, w jaki gwałtowne eksplozje supernowych wpływają na pole magnetyczne, który umożliwił wydedukowanie kształtu Bąbla Lokalnego, a tym samym modelowanie lokalnego pola magnetycznego Wszechświata. W połączeniu z pracami Michaela Ungera, model stanowił źródło cennych informacji o kształcie galaktycznego pola magnetycznego. „Uwzględnienie prac zespołu projektu GADGET wpłynęło na interpretację promieniowania synchrotronowego, szczególnie na dużych szerokościach geograficznych, podkreślając znaczenie uwzględnienia Bąbla Lokalnego podczas modelowania galaktycznych pól magnetycznych”, wyjaśnia Maris.
Powrót do korzeni
Kluczowym wyzwaniem podczas badania promieniowania kosmicznego jest jego rzadkość - tylko jedna cząstka na kilometr kwadratowy dociera do Ziemi w ciągu stulecia. W praktyce to około 10 000 cząsteczek dziennie. Choć zbudowanie detektora wielkości Ziemi jest niemożliwe, największy z nich, Obserwatorium im. Pierre Augera w Argentynie, zbiera dane od 2004 roku, umożliwiając badaczom prowadzenie pomiarów przeszło 100 cząstek charakteryzujących się najwyższymi stanami energetycznymi. Współpraca zespołu z obserwatorium, które niedawno zostało wyposażone w dodatkowe detektory zwiększające czułość i precyzję, daje bardzo realną perspektywę zlokalizowania pochodzenia promieniowania kosmicznego, a pierwsze wyniki zostały niedawno zaprezentowane w ramach serii konferencji naukowych. „Badanie pochodzenia tych cząsteczek byłoby niemożliwe bez uwzględnienia oddziaływania pól magnetycznych”, zauważa Maris. „Widzieliśmy pewne wskazówki mówiące, że cząsteczki te mogą powstawać w galaktykach charakteryzujących się bardzo wysokim tempem powstawania nowych gwiazd lub w regionie Centaura. Cieszę się, że być może już wkrótce odkryjemy tajemnicę tych enigmatycznych cząstek wysokoenergetycznych”.