Observatorij Pierre Auger povezal dolgoletno uganko o izvoru kozmičnih žarkov najvišjih energij s sistemi galaktičnih črnih lukenj

 

MALARGUE, Argentina --- Mednarodna kolaboracija Pierre Auger je 8. novembra 2007 objavila novico, da so aktivna galaktična jedra najverjetnejši izvori kozmičnih žarkov najvišjih energij, ki zadevajo zgornje plasti zemeljske atmosfere. Kolaboracija združuje znanstvenike iz sedemnajstih držav, med drugim osemčlansko slovensko skupino raziskovalcev iz Laboratorija za astrofiziko osnovnih delcev Univerze v Novi Gorici in z Instituta Jožef Stefan. Na podlagi meritev observatorija Pierre Auger, ki se razprostira preko 3000 kvadratnih kilometrov argentinske pampe, so znanstveniki ugotovili, da izvori kozmičnih žarkov najvišjih energij niso enakomerno porazdeljeni po nebu. Rezultati, ki kažejo, da so izvori kozmičnih žarkov najvišjih energij v bližnjih galaksijah, za katere vemo, da v svoji sredini skrivajo aktivna galaktična jedra, bodo 9. novembra 2007 objavljeni v prestižni reviji Science. Novica o odkritju je bila 15.11.2007 objavljena tudi v Delu.

 

Na karti neba v galaktičnih koordinatah (Aitoffova projekcija) so s črnimi krogi prikazane vpadne smeri 27 kozmičnih žarkov z najvišjimi energijami, ki jih je izmeril observatorij Pierre Auger, z rdečimi zvezdicami pa je označeno 472 bližnjih znanih aktivnih galaktičnih jeder, ki se nahajajo manj kot 245 miljonov svetlobnih let stran od Zemlje. Energija vsakega izmed prikazanih kozmičnih žarkov je večja od 57 x 1018 eV (57 EeV). Najbližje aktivno galaktično jedro Centaurus A, oddaljeno le 14 miljonov svetlobnih let, je označeno z belo zvezdico. Vpadna smer kar dveh izmed 27 kozmičnih žarkov z najvišjimi energijami sovpada z lego te galaksije. Z modro je označen del neba, ki je viden z observatorija Pierre Auger, črtkana črta pa označuje medgalaktično ravnino, v kateri leži naša in večina bližnjih galaksij.

 

Aktivno galaktično jedro je osrednji del galaksije, ki požira ogromne količine snovi iz okolice, na primer pline in galaktični prah. Pri tem prihaja do izbruhov visokoenergijskih delcev in fotonov. Znanstveniki domnevajo, da je v središču vsakega aktivnega galaktičnega jedra izjemno masivna črna luknja in da prav tam prihaja tudi do produkcije delcev ekstremno visokih energij, več deset miljonkrat višjih od tistih, ki jih lahko dosežemo v laboratorijih. Mehanizmi pospeševanja delcev v aktivnih galaktičnih jedrih ostajajo zaenkrat še nepojasnjeni.

 

Slika ene izmed najbližjih galaksij z aktivnim galaktičnim jedrom, Centaurus A (NGC5128), oddaljene od nas 14 miljonov svetlobnih let. Posneta je bila leta 1998 s Hubblovim teleskopom iz Zemeljske orbite.

 

“Naredili smo velik korak naprej proti razkritju narave in izvora kozmičnih žarkov najvišjih energij, ki jih je leta 1938 prvič opazil francoski fizik Pierre Auger”, pravi Nobelov nagrajenec za fiziko James Cronin, profesor iz Univerze v Chicagu in častni doktor Univerze v Novi Gorici. Prav on, skupaj s profesorjem Alanom Watsonom iz Univerze v Leedsu, je dal pred leti pobudo za gradnjo observatorija Pierre Auger. “Ko opazujemo kozmične žarke ekstremnih energij, ugotovimo, da ne prihajajo enakomerno z vseh strani neba, kar je fundamentalno odkritje. Začenja se obdobje astronomije s kozmičnimi žarki. V naslednjih nekaj letih nam bodo meritve omogočile natančno določitev izvorov žarkov ekstremnih energij in poglobile razumevanje mehanizmov njihovega pospeševanja.”

 

Idejna očeta observatorija Pierre Auger, Nobelov nagrajenec profesor James Cronin z Univerze v Chicagu (levo) in profesor Alan Watson z Univerze v Leedsu v Veliki Britaniji (desno).

 

Kozmične žarke ekstremnih energij v glavnem sestavljajo protoni in lahka atomska jedra, ki skozi vesoljska prostranstva potujejo skoraj s svetlobno hitrostjo. Ko taki delci priletijo v zgornje plasti ozračja našega planeta, pri trkih z molekulami zraka ustvarijo plaz sekundarnih delcev, ki se lahko na tleh razprostira tudi čez 40 in več kvadratnih kilometrov.

 

“Rezultati meritev observatorija Pierre Auger nam odpirajo nov pogled v bližnje vesolje in so odločilen mejnik, ki pomeni začetek astronomskih opazovanj s kozmičnimi žarki,” pravi prof. Watson, predstojnik mednarodne znanstvene kolaboracije Pierre Auger. “Iz zbranih podatkov o smeri in energiji kozmičnih žarkov ekstremnih energij lahko kot izvore teh žarkov identificiramo  posamezne galaksije, ki jih tako prvič uzremo na popolnoma nov način. Kot smo mnogi z entuziazmom upali in pričakovali, se je naš observatorij s svojimi meritvami kozmičnih žarkov ekstremnih energij aktivno vključil v poglobitev razumevanja podobe vesolja, ki ga je bilo do sedaj mogoče opazovati le z meritvami prispele svetlobe in radijskih valov.”

 

Računalniška simulacija razvoja plazu sekundarnih delcev v atmosferi, ki ga je povzročil trk protona z energijo 1019 elektron-voltov (10 EeV) z molekulami plina na višini okoli 20km nad zemeljskim površjem. Na površju so prikazane lege talnih detektorjev observatorija Pierre Auger.

 

Plazove nabitih delcev, ki jih s trki povzročajo vpadni kozmični žarki ekstremnih energij, observatorij Pierre Auger zaznava z mrežo 1600 talnih detektorjev, oddaljenih drug od drugega 1.5 kilometra in razporejenih preko površine 3000 kvadratnih kilometrov. 24 posebnih teleskopov  za opazovanje atmosfere zaznava šibko fluorescenčno svetlobo, ki jo taki plazovi v njej povzročajo. Kombinacija teleskopov za meritev fluorescenčne svetlobe in detektorjev, ki zaznavajo delce iz plazu, ko zadenejo tla, je bila prvič uporabljena prav v observatoriju Pierre Auger in se je izkazala za izredno učinkovito pri meritvah.

 

Observatorij Pierre Auger sestavljata dve vrsti detektorjev: 4 fluorescenčni detektorji (eden izmed njih je viden na vrhu vzpetine), ki merijo razvoj plazu sekundarnih delcev v atmosferi s pomočjo fluorescence, ter 1600 talnih detektorjev (v ospredju), ki zaznavajo delce iz plazu, ko zadenejo tla.

 

Observatorij je od začetka svojega delovanja izmeril lastnosti že skoraj milijona atmosferskih plazov, vendar lahko le iz lastnosti tistih med njimi, ki so jih povzročili kozmični zarki z najvišjimi energijami, nedvoumno in z dovolj veliko natančnostjo sklepamo na izvore teh kozmičnih žarkov. Znanstveniki iz mednarodne kolaboracije Pierre Auger smo do sedaj iz meritve plazov rekonstruirali lastnosti 81 kozmičnih žarkov z energijami nad 4 x1019 elektron-voltov ali 40 EeV, kar je več, kot je bilo izmerjeno z vsemi prejšnjimi eksperimenti skupaj. Delci s tako visokimi energijami so posebej zanimivi zato, ker je mogoče njihove smeri prihoda določiti na nekaj stopinj natančno in s tem sklepati, kje v vesolju so njihovi izvori.

 

Primer rekonstrukcije kozmičnega žarka, katerega plaz je bil hkrati opažen s štirimi fluorescenčnimi detektoji ter s skupino talnih detektorjev. Vsak kozmični žarek ekstremnih energij ob vpadu v atmosfero s trki z molekulami plina sproži plaz, ki vsebuje nekaj miljard sekundarnih delcev.

 

Opazili smo, da vpadne smeri 27 izmerjenih kozmičnih žarkov z najvišjimi energijami (nad 57 EeV) očitno niso enakomerno porazdeljene po nebu. S primerjavo teh smeri s položajem 381 znanih aktivnih galaktičnih jeder (AGN) smo znanstveniki kolaboracije Pierre Auger ugotovili, da se jih večina dobro prekriva z AGN v bližnjih galaksijah, na primer v galaksiji Centaurus A. Rezultati meritev observatorija Pierre Auger so indic, da aktivna galaktična jedra med drugim proizvajajo delce z najvišjimi energijami, kar jih obstaja v vesolju.

 

“Kozmični žarki nizkih energij so okoli nas zelo pogosti in prihajajo iz vseh smeri. V glavnem izvirajo iz naše lastne galaksije, ki je na nočnem nebu vidna kot Mlečna cesta. Kozmični žarki nizkih energij zaradi magnetnih polj v vesolju potujejo po zelo zavitih poteh, tako da je lego njihovih izvorov nemogoče ugotoviti. V primeru kozmičnih žarkov nizkih energij smo lahko le za Sonce, ki je izjemno blizu, z gotovostjo trdili, da je njihov izvor. Ko pa opazujemo kozmične žarke ekstremnih energij, je njihova pot vedno manj zavita in višja kot je energija, natančneje je mogoče rekonstruirati pot nazaj do njihovih izvorov. Naš izziv je torej zbrati podatke o lastnostih dovolj velikega števila teh kozmičnih izstrelkov in s tem poskušati razumeti mehanizme njihovega pospeševanja,” pravi dr. Paul Mantsch, vodja projekta izgradnje observatorija Pierre Auger.

 

Pri prehodu kozmičnih žarkov z energijami nad 60 EeV skozi vesoljska prostranstva prihaja do trkov s kozmičnim mikrovalovnim ozadjem, ostankom sevanja iz procesa Velikega Poka, ki zapolnjuje celotno vesolje. Pri trkih kozmični žarki izgubljajo energijo, kar pomeni, da morajo kozmični žarki ekstremnih energij, ki smo jih izmerili, izvirati iz izvorov, ki so dovolj blizu, da lahko ohranijo tako veliko energijo, kot smo jo opazili, na svoji relativno kratki poti do nas. Znanstveniki Observatorija Pierre Auger smo ugotovili, da večina izmed 27 zabeleženih dogodkov z energijami nad 57 EeV prihaja iz smeri, kjer se nahajajo najbližnja aktivna galaktična jedra, ki so le nekaj deset milijonov svetlobnih let oddaljena od Zemlje.

 

Astronomska opazovanja s kozmičnimi žarki so izredno zahtevna, saj iz meritev kozmičnh žarkov nizkih energij ne ne moremo dobiti zanesljivih informacij o njihovih izvorih. Na poti skozi vesolje jih usmerjajo galaktična in medgalaktična magnetna polja, ki jih zelo slabo poznamo, tako da je “slika” izvorov kozmičnih žarkov zelo zamegljena. Le za žarke z najvišjimi energijami je učinek magnetnih polj zanemarljiv in se tako gibljejo po skoraj ravnih poteh. Težava pa je v tem, da so kozmični žarki s tako visokimi energijami redki. Zemljo zadene le okoli en dogodek na kvadratni kilometer na stoletje, tako da je potrebno zgraditi ogromen detektor, če naj bi ga uporabljali za opazovanja galaktičnih izvorov kozmičnih žarkov.

 

Observatorij Pierre Auger, ki se razteza preko ogromnih 3000 kvadratnih kilometrov argentinske pampe, opazi na leto okoli 30 kozmičnih žarkov z ekstremnimi energijami. Da bi število meritev še povečali, mednarodna kolaboracija Pierre Auger načrtuje gradnjo drugega, še nekoliko večjega observatorija v Coloradu v Združenih državah Amerike. Z njim bodo mogoča astronomska opazovanja s kozmičnimi žarki tudi na nebu severne poloble in občutno bo povečano skupno število meritev kozmičnih žarkov ekstremnih energij.

 

“Naši rezultati kažejo, da se astronomiji s kozmičnimi žarki obeta lepa prihodnost,” pravi profesor Giorgio Matthiae iz Univerze v Rimu. “Danes v observatoriju Pierre Auger v Argentini uspešno deluje že več kot 90% od vseh talnih detektorjev. Severni observatorij v ZDA bo omogočil opazovanja celotnega neba ter s tem večjega števila galaksij in črnih lukenj, hkrati pa bo povečal tudi občutljivost in natančnost naših meritev. Nebo severne poloble ima namreč še več bližnjih aktivnih galaktičnih jeder, kot jih je na južnem nebu.”

 

Člani mednarodne kolaboracije Pierre Auger.

 

V mednarodni kolaboraciji Pierre Auger sodeluje več kot 370 znanstvenikov, inženirjev in tehnikov iz sedemnajstih držav sveta, med njimi 8 iz Slovenije. “Znanstvena kolaboracija Pierre Auger je pravo mednarodno partnerstvo, saj nobena od sodelujočih držav ni prispevala več kot 25% k pokritju stroškov izgradnje, ki znaša skupaj 54 milijonov ameriških dolarjev,” pravi predsednik sveta kolaboracije prof. dr. Danilo Zavrtanik z Univerze v Novi Gorici.

 

Temeljni kamen observatorija Pierre Auger je bil položen 17. marca 1999 v Argentinski provinci Mendoza. Po zaključeni preizkusni fazi observatorij od januarja 2004 neprekinjeno izvaja meritve kozmičnih žarkov ekstremnih energij. “Argentina s ponosom gosti južni observatorij mednarodne kolaboracije Pierre Auger in z veseljem sodeluje v tem znanstvenem projektu za odkrivanje vesolja,” pravi dr. Alberto Etchegoyen iz laboratorija Tandar v Buenos Airesu. “Zdaj, ko gledam nazaj na leta naporov in velikih pričakovanj, se mi poraja občutek hvaležnosti in spoštovanja do vseh sodelujočih znanstvenikov, do vseh še tako majhnih podrobnosti, ki so pripeljale do današnje objave tako pomembnega znanstvenega odkritja.”

 

Pierre Victor Auger (1899 -1993), pionir na področju meritev kozmičnih žarkov ekstremnih energij.

 

Observatorij »Pierre Auger« je poimenovan po francoskem znanstveniku Pierru Victorju Augerju (1899 -1993). P. Auger je leta 1938 prvi opazil in kasneje izmeril lastnosti plazov sekundarnih delcev, ki izvirajo iz trkov kozmičnih žarkov ekstremnih energij z molekulami zraka v višjih plasteh atmosfere.