Čestica Amaterasu otvorila je novo pitanje o najmoćnijim kozmičkim zrakama

Jedna od najenergičnijih kozmičkih čestica ikad zabilježenih možda nije bila proton ni lakša atomska jezgra, nego jezgra teža od željeza. Novo istraživanje objavljeno u časopisu Physical Review Letters otvara mogućnost da upravo takve ultra teške jezgre objašnjavaju dio najmoćnijih kozmičkih zraka, čestica koje do Zemlje stižu s energijama daleko iznad dosega najvećih ljudskih akceleratora.

U središtu priče nalazi se čestica Amaterasu, zabilježena 2021. godine pomoću opservatorija Telescope Array u američkoj saveznoj državi Utah. Procijenjena joj je energija od oko 240 egzaelektronvolti, što je svrstava među najekstremnije kozmičke događaje ikad otkrivene, usporedive s poznatom česticom “Oh-My-God” zabilježenom 1991. godine.

Čestica koja se ne uklapa lako u poznatu sliku

Ultraenergetske kozmičke zrake među najrjeđim su i najekstremnijim pojavama koje bilježimo iz svemira. Riječ je o česticama koje u Zemljinu atmosferu ulijeću s energijama većima od 100 egzaelektronvolti, približno deset milijuna puta iznad energija koje postiže Veliki hadronski sudarač, najveći i najsnažniji akcelerator čestica na Zemlji.

Takve čestice ne mogu nastati u običnim astrofizičkim uvjetima. Za njihovo ubrzavanje potrebni su najnasilniji procesi u svemiru, poput sudara neutronskih zvijezda, kolapsa masivnih zvijezda ili događaja povezanih s crnim rupama i snažno magnetiziranim neutronskim zvijezdama.

Amaterasu je posebno zbunjujuća jer njezin rekonstruirani smjer dolaska ne upućuje na očit izvor. Trag ne vodi prema jasnom kozmičkom akceleratoru, nego prema području svemira u kojem nema poznatog objekta koji bi se lako mogao povezati s tako snažnim događajem.

Upravo je ta činjenica otvorila pitanje koje je novo istraživanje pokušalo razmotriti iz drugog kuta: možda problem nije samo u tome gdje je čestica nastala, nego i u tome što je ona zapravo bila.

Ultra teške jezgre kao novo objašnjenje

Istraživanje su vodili znanstvenici s Penn Statea, u suradnji s istraživačima s japanskog Instituta za teorijsku fiziku Yukawa, Virginia Techa i drugih ustanova. Tim je računalnim simulacijama pratio kako različite vrste čestica gube energiju tijekom putovanja kroz međugalaktički prostor.

Uspoređivani su protoni, atomske jezgre srednje mase i jezgre teže od željeza. Rezultati pokazuju da bi na energijama usporedivima s česticom Amaterasu ultra teške jezgre mogle gubiti energiju sporije od protona i lakših jezgri. Zbog toga bi imale veće izglede preživjeti duga putovanja kroz svemir i stići do Zemlje s iznimno visokom energijom.

Atomska jezgra nalazi se u središtu atoma i građena je od protona i neutrona. Iako zauzima tek neznatan dio atomskog prostora, u njoj je gotovo sva masa atoma. Ako su neke od najenergičnijih kozmičkih zraka zapravo jezgre teže od željeza, tada se njihov put kroz svemir mora tumačiti drukčije nego u slučaju protona ili lakših jezgri. To izravno utječe na potragu za njihovim izvorima, jer se putanja i gubitak energije takvih čestica ne tumače jednako kao kod protona ili lakših jezgri.

Kohta Murase, profesor fizike, astronomije i astrofizike na Penn Stateu te voditelj istraživačkog tima, ističe da nova studija ne tvrdi kako su sve ultraenergetske kozmičke zrake ultra teške jezgre. No ako se pokaže da dio najekstremnijih događaja doista pripada toj skupini, potraga za njihovim izvorima morat će uzeti u obzir znatno drukčiji sastav nego što se dosad često pretpostavljalo.

Izvori među najnasilnijim pojavama u svemiru

Najizgledniji kandidati za nastanak i ubrzavanje takvih jezgri bili bi događaji u kojima se oslobađaju golema količina energije i jaka magnetska polja. Među njima su smrti masivnih zvijezda koje završavaju kolapsom u crne rupe ili snažno magnetizirane neutronske zvijezde, kao i spajanja dviju neutronskih zvijezda.

Takvi događaji poznati su i kao izvori gravitacijskih valova, a mogu biti povezani s izbojima gama-zraka, najenergičnijim eksplozijama u svemiru. Ako ultra teške jezgre nastaju u takvim okolnostima, to bi moglo pomoći u povezivanju najmoćnijih kozmičkih zraka s kratkotrajnim, izrazito nasilnim astrofizičkim procesima.

Nova interpretacija mogla bi imati još jednu posljedicu. Prema autorima, doprinos ultra teških jezgri možda bi pomogao objasniti moguće razlike u spektru ultraenergetskih kozmičkih zraka između sjevernog i južnog neba. Ako su takve jezgre doista važan dio najvišeg energetskog područja, buduća bi mjerenja trebala pokazati sastav teži od željeza.

Presudan će biti sastav, ne samo energija

Zagonetka ultraenergetskih kozmičkih zraka otvorena je više od šest desetljeća. Pojedinačni događaji, poput čestice Amaterasu, daju tek nekoliko ključnih podataka: procijenjenu energiju, smjer dolaska i moguću putanju kroz magnetska polja. Šira slika nastaje tek kada se velik broj takvih događaja promatra zajedno.

Zato će presudna biti mjerenja sljedeće generacije. Nadogradnja AugerPrime na Opservatoriju Pierre Auger u Argentini te predloženi Global Cosmic Ray Observatory trebali bi omogućiti preciznije podatke o sastavu, energijama i smjerovima dolaska najrjeđih kozmičkih zraka.

Ako se pokaže da se na najvišim energijama doista pojavljuje veći udio jezgri težih od željeza, Amaterasu bi mogla postati važan trag u rješavanju jednog od najdugovječnijih problema moderne astrofizike. Pitanje tada više ne bi bilo samo odakle je ta čestica došla, nego kakva je čestica mogla zadržati toliku energiju nakon putovanja kroz svemir.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.