Brutális erejű ütés találta el a Földet

Kozmikus sugarak különböző forrásai

Ugyanaz a utahi teleszkópegyüttes, amelyik 1991-ben rekordenergiájú kozmikus részecskét detektált, most begyűjtötte második legnagyobb fogását: olyan elemi részecskét észlelt, amelynek egymagában akkora energiája volt, mint egy derékmagasságból leeső téglának. A részecskét a japán mitológia napistennője után Amaterasunak nevezték el.

A Utahi Egyetem 1991-ben a Fly's Eye (Légyszem) nevű kísérlet során befogta a valaha észlelt legnagyobb energiájú kozmikus sugarat. A később Oh-My-God (kb.: „Atyaég") részecskének elnevezett kozmikus sugár energiája megdöbbentette az asztrofizikusokat. A saját galaxisunkban semminek nincs olyan ereje, hogy ilyet bocsáthatna ki, viszont a részecskének több energiája volt, mint ami elméletileg lehetséges a Földre más galaxisokból érkező kozmikus sugarak esetében.

Tömören összefoglalva tehát ennek a részecskének nem lett volna szabad léteznie.

A teleszkópegyüttes azóta több mint 30 ultramagas energiájú kozmikus sugarat észlelt, bár egyik se közelítette meg energiaszintben az Oh-My-God részecskét. Egyelőre semmit nem tudni arról, honnan erednek ezek a részecskék, és hogyan képesek eljutni a Földre.

Nem tudni, mi küldhette a pusztító erejű részecskét - talán egy párhuzamos univerzumból származik?

2021. május 27-én a teleszkópegyütteshez befutott egy az Oh-My-Goddal összemérhető energiájú kozmikus sugár. 2.4×10^20 eV-jával ez valaha észlelt második legerőteljesebb elemi részecske egymagában annyi energiát hordozott, mint amennyivel egy derékmagasságból a lábujjunkra eső tégla rendelkezik.

A Utahi Egyetem és a Tokiói Egyetem által üzemeltetett teleszkópegyüttes 507 földfelszíni detektorállomásból áll, amelyek Utah állam Nyugati Sivatagában, Delta város közelében egy 700 négyzetkilométeres négyzet alakú területen szabályos pontrácsban vannak elrendezve. A 2021. májusi sugár a teleszkópegyüttes északnyugati régiójában egy 48 négyzetkilométeres területen hasított végig, ahol 23 detektort hozott működésbe. Becsapódási iránya alapján a Local Void („Helyi Üresség") elnevezésű, a Tejutat körülvevő szokatlanul néptelen űrterület felől érkezhetett.

A pusztító részecskét észlelő egyik detektor Forrás: Wikimedia Commons

„Ezek a részecskék annyira nagy energiájúak, hogy a galaktikus és galaxison kívüli mágneses mezőknek nem kellene hatással lennie rájuk. Oda kellene tudnunk mutatni az égbolton, ahonnan érkeztek – magyarázta John Matthews, a teleszkópegyüttes munkacsoportjának egyik szóvivője a Utahi Egyetemen és a tanulmány társszerzője. –

De az Oh-My-God részecske és a most közölt részecske esetében ha visszakövetjük a nyomvonalukat a forráshoz, akkor azt látjuk, hogy nincs ott semmi, ami elég energiával bírna a létrehozásukhoz. Úgyhogy valódi rejtéllyel állunk szemben – fogalmunk sincs, mi folyik itt."

A kutatók nemzetközi együttműködése nyomán a Science folyóiratban közölt cikk leírja a megfigyelt ultramagas energiájú kozmikus sugarat, értékeli a tulajdonságait, és arra a következtetésre jut, hogy az ehhez hasonló ritka jelenségek a tudomány számára jelenleg még ismeretlen részecskefizikai elveket követnek. A szerzők a japán mitológia napistennője után Amaterasunak nevezték el az Oh-My-God utáni második legenergetikusabb részecskét. Az Oh-My-God és az Amaterasu részecskéket különböző megfigyelési technikákkal észlelték, ami hihetővé teszi, hogy ezek az ultramagas energiájú események, ha ritkák is, de valódiak.

„Ezek az események látszólag az égbolt legkülönbözőbb tájairól érkeznek. Nem úgy tűnik, mintha egyetlen titokzatos forrásból származnának – tisztázta John Belz, a Utahi Egyetem tanára és a tanulmány társszerzője. – Lehetséges, hogy a forrásaik hibák a téridő szerkezetében, ütköző kozmikus húrok.

Igazából csak bedobálok ide mindenféle őrült ötletet, amikkel az emberek előjönnek, mert konvencionális magyarázatunk nincsen."

Kozmikus sugarak és az érzékelő detektorok

A kozmikus sugarak olyan heves égi események visszhangjai, amelyek az anyagot szubatomi összetevőire tépték, és a fényét megközelítő sebességgel kihajították a világűrbe. A kozmikus sugarak valójában nem egyebek, mint a legkülönbözőbb energiamennyiséggel rendelkező töltött részecskék – protonok, elektronok, olykor teljes atommagok, amelyek a világűrt átszelve csaknem folyamatosan záporoznak Földünkre.

A kozmikus sugarak a Föld felső légkörébe behatolva széthasítják az oxigén- és nitrogénatommagokat, s ezzel számos másodlagos részecskét generálnak. Ez utóbbiak csak rövid távot tesznek meg a légkörben, mielőtt ők maguk is megismételnék a folyamatot, így egyetlen nagyenergiájú beeső részecske másodlagos részecskék milliárdjaiból álló zuhatagot képez, amely részben a földfelszín felé szóródik. Egy ilyen zuhatag óriási mértékben szétterül, ezért szükséges az észleléséhez a detektorokat olyan nagy területen elszórva elhelyezni, mint a utahi teleszkópegyüttes esetében.

A felszíni detektorok többféle műszerrel vannak felszerelve, amelyek információt szolgáltatnak a kutatók számára minden egyes kozmikus sugárról: a jelek időzítése a sugár nyomvonaláról, az egyes detektorokat elérő töltött részecskék száma pedig az elsődleges beeső részecske energiájáról árulkodik.

A kozmikus sugarak olyan heves égi események visszhangjai, amelyek az anyagot szubatomi összetevőire tépték Forrás: AFP

Mivel a részecskék töltéssel rendelkeznek, röppályájuk olyan, mint egy flippergolyóé: cikkcakkban pattognak az útjukba eső elektromágneses mezők között a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás tengerében. Az energiaspektrum alsó-közepes tartományába eső kozmikus sugarak nyomvonalát ezért szinte lehetetlen visszakövetni. Még a nagyenergiájú kozmikus sugarakat is eltorzítja a mikrohullámú háttér.

Csak az Oh-My-Godhoz és az Amaterasuhoz hasonló ultraenergetikus részecskék képesek viszonylag töretlen pályán átszelni az intergalaktikus űrt – ilyeneket viszont csak a legvehemensebb égi események tudnak előállítani.

„Amikre az emberek általában nagyenergiájúként gondolnak, mint például egy szupernóva, azok a kanyarban sincsenek ahhoz, hogy ekkora energiát előállítsanak. Irtózatos mennyiségű energia, hatalmas erejű mágneses mezők kellenek ahhoz, hogy így felgyorsítsanak egy becsapdázott részecskét" – szögezte le Matthews.

Ultramagas energiájúnak azokat a kozmikus sugarakat tekintjük, amelyek energiája meghaladja az 5×10^19 eV-ot. Ez azt jelenti, hogy egyetlen ilyen szubatomi részecske annyi mozgási energiával bír, mint egy jól megküldött rögbilabda, vagyis

több tízmilliószor annyi energiája van, mint amit egy ember alkotta részecskegyorsítóban el tudunk érni.

Ezt a Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) küszöbnek nevezett 5×10^19 eV-os határértéket asztrofizikusok számították ki, és annak a maximális energiamennyiségnek felel meg, amit egy proton nagy távolságokon át képes megtartani anélkül, hogy a mikrohullámú háttérsugárzással fellépő kölcsönhatása elkezdené fékezni. Az ilyen részecskék ismert lehetséges forrásai – aktív galaxismagok, vagy akkréciós koronggal rendelkező, részecskenyalábokat kilövellő fekete lyukak – több mint 160 millió fényévre vannak a Földtől. Az Amaterasu a maga 2.4×10^20 eV-jával és az Oh-My-God a 3.2×10^20 eV-os rekordértékével bőven túllépik a GZK küszöbértéket.

A rekorder kozmikus részecske illusztrációja Forrás: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Hogyan találhatják meg a részecske forrását?

A kutatók a kozmikus sugarak összetételét is elemzik annak reményében, hogy találnak a forrásról árulkodó nyomokat. Egy nehezebb részecskének, mint például egy vasatommagnak nagyobb a töltése, ezért a mágneses mezők jobban eltérítik, mint egy könnyebb részecskét, például egy egyetlen protonból álló hidrogénatommagot. Az új részecske nagy valószínűséggel egy proton lehetett. A részecskefizika azt mondaná, hogy egy a GZK-küszöbnél nagyobb energiájú részecske túl erős ahhoz, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás befolyásolja a röppályáját, tehát nyílegyenesen kellene utaznia. Viszont ha visszakövetjük ezeknek a részecskéknek a nyomvonalát, a feltételezett forrás helyén az égvilágon semmit sem találunk.

„Talán a mágneses mezők erősebbek, mint gondoltuk, viszont ennek ellentmondanak más megfigyelések, amelyek azt mutatják, hogy mégsem elég erősek a 10^20 eV nagyságrendű energiával rendelkező részecskék pályájának elhajlításához – töpreng Belz. – Ez tényleg egy rejtély."

A utahi teleszkópegyüttes elhelyezkedését nagy gonddal tervezték úgy, hogy alkalmas legyen az ultramagas energiájú kozmikus sugarak észlelésére. Nagyjából 1200 méteres tengerszint feletti magasságban fekszik, ami optimális abból a szempontból, hogy eddigre már teljesen kialakulnak a másodlagos részecskék, viszont még nem kezdenek elbomlani. A utahi Nyugati Sivatag pedig két szempontból is ideális helyszín: a száraz levegő kulcsfontosságú, mert a nedvesség elnyelné az észleléshez szükséges ultraibolya fényt, és a sötét égbolt is lényeges, mivel a fényszennyezés zajában elvesznének a kozmikus sugarak.

Kozmikus sugarak különböző forrásai Forrás: Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Az asztrofizikusok egyelőre értetlenül állnak a titokzatos jelenség előtt. A teleszkópegyüttes jelenleg egy olyan bővítési fázison esik át, amelynek befejeztével a remények szerint alkalmas lesz a rejtély feloldására. Amikor majd elkészül a bővítés, a teleszkópegyüttest további 500 szcintillációs detektor fogja kiegészíteni, s ezekkel együtt a megfigyelőállomás már 2900 négyzetkilométeres területen fogja fürkészni a kozmikus sugarak kiváltotta részecskezuhatagokat. Kibővített gyűjtőterületével a teleszkóp remélhetőleg több eseményt fog tudni rögzíteni, és fényt deríthet majd arra, mi is történik valójában.