Niezwykle silne promienie kosmiczne spadają na nas. Nikt nie wie, skąd pochodzą.

Ale dzięki eksperymentom na dużą skalę naukowcy na całym świecie są zdeterminowani, aby się tego dowiedzieć.

Autor: Brian Resnick@B_resnickbrian@vox.com  Zaktualizowano Lip 25, 2019, 7:17am EDTGrafika: Javier Zarracina/Vox

Możesz myśleć, że największe, najbardziej kłopotliwe tajemnice wszechświata istnieją gdzieś tam, na skraju czarnej lub wewnątrz eksplodującej gwiazdy.

Nie, wielkie tajemnice wszechświata otaczają nas przez cały czas. Przenikają nas nawet, płynąc prosto przez nasze ciała. Jedną z takich tajemnic jest promieniowanie kosmiczne, zbudowane z maleńkich kawałków atomów. Te promienie, które przechodzą przez nas w tym momencie, nie są szkodliwe dla nas ani dla żadnego innego życia na powierzchni Ziemi.

Ale niektóre niosą tak dużo energii, że fizycy są zdumieni tym, jaki obiekt we wszechświecie mógł je stworzyć. Wiele z nich jest zbyt potężnych, aby pochodzić z naszego Słońca. Wiele z nich jest zbyt potężnych, aby pochodzić od eksplodującej gwiazdy. Ponieważ promienie kosmiczne często nie poruszają się w linii prostej, nie wiemy nawet, skąd na nocnym niebie pochodzą.

Świat potrzebuje więcej cudów

Niewytłumaczalny biuletyn poprowadzi Cię przez najbardziej fascynujące, pozbawione odpowiedzi pytania w nauce – i oszałamiające sposoby, w jakie naukowcy próbują na nie odpowiedzieć. Zarejestruj się już dziś.

Odpowiedź na tajemnicę promieniowania kosmicznego może obejmować obiekty i zjawiska fizyczne we wszechświecie, których nikt wcześniej nie widział ani nie rejestrował. A fizycy mają kilka ogromnych eksperymentów na całym świecie, które są obecnie poświęcone rozwiązaniu sprawy.

Chociaż nie wiemy, skąd pochodzą, ani jak się tu dostają, możemy zobaczyć, co się dzieje, gdy te promienie kosmiczne uderzają w atmosferę naszej planety z prędkością prawie światła.

Promienie kosmiczne są posłańcami z szerszego wszechświata; przypomnienie, że jesteśmy jego częścią i przypomnienie, że wciąż jest wiele tajemnic. Przyjrzyjmy się bliżej tym zdumiewającym cząstkom, padającym na Ziemię z daleka.Najpopularniejsze artykułyREAD MOREThe significance of the Senate vote on the InflationReduction Acthttps://imasdk.googleapis.com/js/core/bridge3.523.0_en.html#goog_1608430538https://imasdk.googleapis.com/js/core/bridge3.523.0_en.html#goog_1457842587https://imasdk.googleapis.com/js/core/bridge3.523.0_en.html#goog_580297048https://open.spotify.com/embed-podcast/episode/4Nmu1U4QdK4MfNWOpqyMDc

Wbijanie się w naszą atmosferę

Kiedy cząstki w promieniach kosmicznych zderzają się z atomami w górnej części atmosfery, pękają, rozrywając atomy w gwałtownym zderzeniu. Cząstki z tej eksplozji następnie rozrywają inne kawałki materii, w śnieżnej reakcji łańcuchowej. Niektóre z tych atomowych odłamków uderzają nawet w ziemię.

Można to zobaczyć w akcji, budując tak zwaną komorę chmurową ze szklanego słoika, filcu, suchego lodu i alkoholu izopropylowego (tj. Alkoholu pocierającego). Moczysz filc w alkoholu, a suchy lód (który jest super zimnym stałym dwutlenkiem węgla) chłodzi opary alkoholu, które spływają z filcu. To tworzy chmurę oparów alkoholu.

W tej komorze można zobaczyć promienie kosmiczne, szczególnie te z cząstki zwanej mionem. Miony są jak elektrony, ale nieco cięższe. Każdy centymetr kwadratowy Ziemi na poziomie morza, w tym przestrzeń na czubku głowy, jest uderzany o jeden mion co minutę.

Podobnie jak elektrony, miony niosą ładunek ujemny. Kiedy miony przeskakują przez chmurę alkoholu, jonizują (ładują) powietrze, przez które przechodzą. Ładunek w powietrzu przyciąga opary alkoholu i skrapla się w kropelki. A te kropelki następnie śledzą ścieżkę promieni kosmicznych wytwarzanych przez komorę.

Kiedy widzisz ścieżki, które tworzą te miony, pomyśl o tym: te subatomowe cząstki spadają na Ziemię z prędkością 98 procent prędkości światła.https://volume.vox-cdn.com/embed/d5796862c?autoplay=false&placement=article&tracking=article:middle

Poruszają się tak szybko, że doświadczają dylatacji czasu przewidywanej przez szczególną teorię względności Einsteina. Mają się rozpadać – tj. rozpadać się na mniejsze składniki, elektrony i neutrina – w ciągu zaledwie 2,2 mikrosekundy, co oznaczałoby, że ledwo dostaną się 2000 stóp w dół od szczytu atmosfery przed śmiercią. Ale ponieważ poruszają się tak szybko, w stosunku do nas, starzeją się 22 razy wolniej. (Podobna rzecz przydarzyła się postaci Matthew McConaugheya w filmie Interstellar, gdy przyspieszył swoją względną prędkość zbliżając się do czarnej.)

Gdyby teoria Einsteina nie była prawdziwa, nie zobaczylibyśmy żadnych mionów w komorze chmurowej. Na szczęście są nieszkodliwe, poruszają się tak szybko, że nie mają czasu, aby wylądować potężnym ciosem w twoim ciele. Naukowcy mogą robić fajne rzeczy z mionami, na przykład używać ich do fotografowania wnętrza Wielkiej Piramidy w Egipcie.

Przypomnijmy, że promienie te były potencjalnie napędzane przez siły spoza naszego Układu Słonecznego, przez siły, których żaden fizyk nie rozumie. To po prostu niesamowite.

“Nasi koledzy fizycy teoretyczni są zakłopotani” tym, w jaki sposób te cząstki są zasilane, mówi Charles Jui, fizyk z University of Utah, który poluje na promieniowanie kosmiczne. “Nie możemy również dowiedzieć się, skąd pochodzą. “

Promienie kosmiczne, wyjaśnione

Tajemnica promieni kosmicznych rozpoczęła się wraz z ich odkryciem w 1912 roku. To wtedy fizyk Victor Hess wybrał się na przejażdżkę balonem na ogrzane powietrze i odkrył, że ilość promieniowania w atmosferze wzrasta im wyżej.

Był na balonie, aby odizolować swój eksperyment od promieniowania. Ale było tylko głośniej wyżej. To doprowadziło go do wniosku, że promieniowanie pochodzi z kosmosu, a nie radioaktywność ze skał na Ziemi.

Odbył również tę przejażdżkę balonem podczas całkowitego zaćmienia Słońca. Ponieważ księżyc blokuje słońce, promieniowanie kosmiczne pochodzące ze słońca powinno zostać odfiltrowane. Ale wciąż nagrywał niektóre. To doprowadziło go do wglądu, że promieniowanie nie pochodzi ze Słońca, ale z głębi kosmosu. Odkrycie promieni kosmicznych przyniosło mu w 1936 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Najwyższa energia cząstki promieniowania kosmicznego, jaką kiedykolwiek zarejestrowano, zwana cząstką “Oh-My-God”, była około 2 miliony razy bardziej energetyczna niż najbardziej zupowany proton napędzany przez Wielki Zderzacz Hadronów, najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek.

Ta energia, wyjaśnia Antonella Castellina, włoska astrofizyk z Obserwatorium Pierre’a Augera, jest podobna do najlepszego tenisisty uderzającego piłkę z całej siły. To nie brzmi jak dużo. Ale wyobraźcie sobie całą tę energię wciśniętą w obszar mniejszy niż atom – to ekstremalne. To wystarczająca moc, aby włączyć żarówkę na sekundę lub dłużej. “Nikt nie wie, co we wszechświecie jest w stanie dać cząstce subatomowej taką energię” – mówi.

Co więcej, naukowcy są zdumieni tym, jak taka cząstka może w ogóle dotrzeć do Ziemi. Uważa się, że cząstki o tak szalenie wysokich energiach oddziałują z promieniowaniem pozostałym z Wielkiego Wybuchu i stworzenia wszechświata, co powinno je przerwać, zanim dotrą do nas.

To, co stworzyło cząstkę “Oh-My-God” i podobnie potężne promienie kosmiczne, jest kompletną, zaskakującą tajemnicą. (Być może zastanawiasz się, dlaczego nazywamy te cząstki “promieniami”? To trochę mylące określenie, które utkwiło w pamięci od czasu, gdy odkryto je sto lat temu. Są one również nazywane “astrocząstkami”. Ale promienie kosmiczne brzmią chłodniej, więc pozostaniemy przy tym.)

Promienie kosmiczne zostały odkryte 100 lat temu. Być może myślisz: dlaczego nie możemy dowiedzieć się, co strzela do nas tymi promieniami kosmicznymi?

Cóż, wiemy, że niektóre promienie kosmiczne pochodzą ze słońca. Ale te najsilniejsze, najbardziej tajemnicze, pochodzą z wielkiej drogi w galaktyce i wszechświecie.

Problem z poszukiwaniem źródeł tych bardzo wysokoenergetycznych promieni kosmicznych polega na tym, że promienie te nie zawsze poruszają się w linii prostej. Różne pola magnetyczne galaktyki i wszechświata odchylają je i umieszczają na krętych ścieżkach.

Wiele promieni kosmicznych, które uderzają w Ziemię – szczególnie te, które pochodzą z naszego Słońca – zostaje odchylonych na bieguny z powodu ziemskiego pola magnetycznego. Dlatego mamy zorzę polarną i południową w pobliżu biegunów.

Istnieje kilka ogromnych projektów w toku, aby lepiej zrozumieć, skąd pochodzą te promienie kosmiczne. Jeden z nich dotyczy naprawdę ogromnego bloku lodu na biegunie południowym.

Ogromny blok lodu na biegunie południowym to gigantyczny detektor promieniowania kosmicznego

Na dnie świata nie ma zbyt wiele żywych, z wyjątkiem fizyków. Tam, na biegunie południowym, zbudowali IceCube Neutrino Observatory, wykute bezpośrednio w lodzie pod powierzchnią bieguna południowego.

Jest to 1-kilometrowy (około 1,3 miliarda metrów sześciennych) blok krystalicznie czystego lodu otoczony czujnikami. Czujniki te są skonfigurowane do wykrywania, kiedy cząstki subatomowe zwane neutrinami – które podróżują wraz z innymi cząstkami subatomowymi w promieniowaniu kosmicznym – uderzają w Ziemię.

To, jak to działa, nie różni się tak bardzo od eksperymentu z komorą chmurową, który pokazaliśmy powyżej. Próbuje prześledzić drogę, którą bardzo szczególny rodzaj promieniowania kosmicznego – zwany neutrinem – przechodzi przez obserwatorium.

Neutrina różnią się od innych składników promieniowania kosmicznego w jeden naprawdę ważny sposób: w ogóle nie oddziałują z innymi formami materii. Nie mają żadnego ładunku elektrycznego. Oznacza to, że podróżują przez wszechświat w stosunkowo prostej linii, a my możemy prześledzić je z powrotem do źródła.

“Jeśli prześlę latarkę przez ścianę, światło nie przejdzie” – powiedziała mi Naoko Kurahashi Neilson, fizyk cząstek elementarnych z Drexel University. “To dlatego, że cząstki światła, fotony, oddziałują z cząstkami w ścianie i nie mogą przeniknąć. Gdybym miał latarkę neutrinową, ten strumień neutrin przeszedłby przez ścianę. “

Ale od czasu do czasu neutrino – być może każde na 100 000 – uderzy w atom w lód w obserwatorium i rozbije atom.

Potem dzieje się coś spektakularnego: zderzenie wytwarza inne cząstki subatomowe, które są następnie napędzane do prędkości większej niż prędkość światła, gdy przechodzą przez lód.

Być może słyszałeś, że nic nie może podróżować szybciej niż światło. To prawda, ale tylko w próżni. Fotony tworzące światło (cząstka subatomowa sama w sobie) faktycznie zwalniają nieco, gdy wchodzą w gęstą substancję, taką jak lód. Ale inne cząstki subatomowe, takie jak miony i elektrony, nie zwalniają.

Kiedy cząstki poruszają się szybciej niż światło przez ośrodek taki jak lód, świecą. Nazywa się to promieniowaniem Czerenkowa. Zjawisko to jest podobne do zjawiska dźwiękowego boomu. (Kiedy jedziesz szybciej niż prędkość dźwięku, wytwarzasz podmuch hałasu.) Kiedy cząstki poruszają się szybciej niż światło, pozostawiają ślady niesamowitego niebieskiego światła, jak łódź motorowa pozostawia pobudkę w wodzie. Oto artystyczny obraz tego, jak to wszystko wygląda. Neutrino jest kształtem kropli łez w kolorze szarym.

Inne obserwatoria poszukujące promieni kosmicznych są podobnie ogromne

Obserwatorium Pierre Auger, w którym pracuje Castellina, wykorzystuje zestaw 1 600 zbiorników, z których każdy wypełniony jest 3 000 galonów wody. Zbiorniki są rozmieszczone na ponad 1000 mil kwadratowych w Mendozie w Argentynie.

Zbiorniki działają jak blok lodu na biegunie południowym. Ale zamiast używać lodu do rejestrowania promieni kosmicznych, używają wody. Zbiorniki są całkowicie czarne jak smoła w środku. Ale kiedy promienie kosmiczne – więcej niż tylko neutrina – dostają się do zbiorników, powodują małe wybuchy światła, poprzez promieniowanie Czerenkowa, ponieważ przekraczają prędkość światła w wodzie.

Jeśli wiele zbiorników rejestruje wybuch promieniowania kosmicznego w tym samym czasie, naukowcy mogą następnie pracować wstecz i obliczyć energię cząstki, która uderzyła w szczyt atmosfery. Mogą również z grubsza zgadywać, skąd na niebie wystrzelono cząstkę.

Na półkuli północnej w Utah przeprowadzono podobny eksperyment zwany siecią teleskopów. Podobnie jak czołgi w Ameryce Południowej, sieć w Utah ma serię detektorów rozmieszczonych na ogromnym obszarze. Obecnie zajmuje około 300 mil kwadratowych, ale trwają prace nad modernizacją, rozszerzając ją do 1 200 mil kwadratowych. (Im większy obszar, tym większa szansa na dostrzeżenie najbardziej nieuchwytnych i potężnych promieni kosmicznych.)

Detektory w Utah składają się z super przezroczystego tworzywa akrylowego i są umieszczone w jednostkach, które wyglądają jak łóżka szpitalne.

Jeśli wiele detektorów rejestruje trafienie w sekwencji (pomyśl o cząstkach uderzających w ziemię mniej więcej w tym samym czasie, jak śrut strzelby na planszy celu), “możesz zrekonstruować kierunek”, z którego pochodzą, mówi Jui, fizyk z University of Utah, który pracuje nad siecią.

Obserwatorium może też zrobić coś fajnego. W bardzo pogodne, ciemne noce na pustyni w Utah można zobaczyć słabe smugi promieni kosmicznych rozświetlających się w naszej atmosferze.

“Chodzi o to, że można zobaczyć, jak prysznic powietrza rozwija się w atmosferze za pomocą kamer ultrafioletowych” – mówi Jui. “Są to kamery, które nagrywają filmy, w ciągu kilku mikrosekund, dziesięciu klatek na mikrosekundę [to ekstremalne zwolnione tempo], a następnie można zobaczyć rozszerzoną linię na niebie i zmierzyć energię [promieniowania kosmicznego] z tego.”

Możesz pomóc w poszukiwaniu promieni kosmicznych

Mając wystarczającą ilość danych na temat tych wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia lepiej określą, skąd pochodzą na niebie.

Problem polega na tym, że w tej chwili po prostu nie mają wystarczającej ilości obserwacji najpotężniejszych promieni kosmicznych.

Zajmie to trochę czasu, ponieważ najpotężniejsze promienie kosmiczne nie przechodzą przez detektory zbyt często: każdy kilometr kwadratowy Ziemi widzi tylko jedną z tych cząstek na stulecie. Aby uwzględnić fakt, że te promienie nie często poruszają się w linii prostej, potrzeba góry danych.

Ale już mamy pewne wskazówki. Obserwatorium Pierre’a Augera ma pewne (jeszcze nie rozstrzygające) dane, że niektóre z tych wysokoenergetycznych cząstek pochodzą z galaktyk gwiazdotwórczych, które są galaktykami formującymi gwiazdy w bardzo szybkim tempie. Grupa Jui doszła do wniosku, że około jedna czwarta najpotężniejszych obserwowanych promieni kosmicznych pochodzi z okręgu o wielkości około 6 procent nocnego nieba, w pobliżu konstelacji Wielkiego Wozu. Ale to ogromny obszar przestrzeni i nie ma oczywistego dymiącego pistoletu w regionie.

Kolejne wskazówki wciąż napływają. Zeszłego lata naukowcy z obserwatorium IceCube opublikowali ekscytujące dowody na to, że galaktyki zwane blazarami generują niektóre z tych wysokoenergetycznych cząstek. Blazary mają w centrum supermasywne czarne, które rozrywają materię na jej części składowe, a następnie wyrzucają cząstki subatomowe jak działo laserowe w przestrzeń kosmiczną.

Oto obraz artysty, który jest bardzo, bardzo nie w skali, pokazując blazar strzelający wiązką promieni kosmicznych na Ziemię.

Obecne wyniki nie mogą jeszcze wyjaśnić najpotężniejszych promieni kosmicznych wykrytych w historii. Należy je również powtórzyć.

Istnieje również możliwość, że niektóre promienie są wytwarzane przez siły i obiekty, o których obecnie nie wiemy – lub oddziałują z tajemniczymi rzeczami, takimi jak ciemna materia, w sposób, którego jeszcze nie rozumiemy. To mogą być kosmici, ale wątpię.

Naukowcy potrzebują więcej danych, więcej obserwacji, aby móc wskazać źródła na niebie, z których pochodzą te cząstki.

Wkrótce możesz rozpocząć wyszukiwanie. Telefon można przekształcić w detektor promieniowania kosmicznego. Daniel Whiteson jest fizykiem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, który pracuje nad projektem promieniowania kosmicznego. Nazywa się Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

“Liczba cząstek, które uderzają w atmosferę z szalonymi energiami, jest naprawdę duża. To miliony [rocznie]”, mówi Whiteson. Ale obserwatoria takie jak Pierre Auger – choć ogromne – nie są wystarczająco duże, aby dostrzec większość z nich. “Gdybyśmy mogli zbudować wystarczająco duży teleskop pokrywający ogromne połacie lądu, moglibyśmy naprawdę szybko zebrać wiele danych.”

Tu właśnie wkraczają smartfony. Aparat w telefonie działa, ponieważ fotony – cząstka subatomowa, która tworzy światło – aktywuje czujnik z tyłu obiektywu. Promienie kosmiczne mogą również aktywować czujnik. (Od czasu do czasu promieniowanie kosmiczne może zakłócać działanie mikroprocesora i powodować awarię komputera).

“Jeśli odłożysz aparat telefonu twarzą do dołu, większość [światła] zostanie zablokowana, a otrzymasz czarny obraz” – wyjaśnia. “Ale cząstki z kosmosu przejdą przez telefon, sufit lub ścianę i uderzą w [czujnik aparatu] i pozostawią ślad”.

Mamy nadzieję, że miliony użytkowników mogą włączyć aplikację w nocy, gdy śpią, i będą szukać tych promieni kosmicznych. Whiteson ma nadzieję, że dzięki wystarczającej liczbie telefonów on i jego koledzy mogą uzyskać lepszy obraz tego, skąd pochodzą promienie kosmiczne. Projekt nie jest jeszcze całkiem gotowy. Ale możesz zarejestrować się teraz, aby zostać beta testerem, gdy aplikacja będzie gotowa.

Fizycy nie zamierzają się poddać w najbliższym czasie. Istnienie wysokoenergetycznych promieni kosmicznych mówi nam, że nasze zrozumienie wszechświata jest żałośnie niekompletne.

“To jedne z najbardziej gwałtownych zjawisk” we wszechświecie, mówi Jui. Nie chcesz dowiedzieć się, co go powoduje?

Opublikowano za: https://www.vox.com/the-highlight/2019/7/16/17690740/cosmic-rays-universe-theory-science