Naukowcy wykorzystują Obserwatorium HESS, aby sprostać wyzwaniu polegającemu na wykryciu wysokoenergetycznych elektronów i pozytonów promieniowania kosmicznego oraz ujawnieniu ich prawdopodobnego pochodzenia w pobliżu Układu Słonecznego za pomocą zaawansowanych technik analizy danych.
Wszechświat jest pełen ekstremalnych środowisk, od najzimniejszych regionów po najbardziej energetyczne źródła, jakie można sobie wyobrazić. W tych warunkach powstają niezwykłe obiekty, takie jak pozostałości po supernowych, pulsary i aktywne jądra galaktyczne, które emitują naładowane cząstki i promienie gamma o energiach znacznie przekraczających te wytwarzane w procesach syntezy jądrowej w gwiazdach – o kilka rzędów wielkości.
Wyzwania w wykrywaniu promieni kosmicznych
Promienie gamma wykryte na Ziemi dostarczają cennych informacji na temat ich pochodzenia, ponieważ przemieszczają się w przestrzeni kosmicznej w niezakłócony sposób. Jednak zrozumienie naładowanych cząstek, czyli promieni kosmicznych, jest znacznie trudniejsze. Cząstki te są stale odchylane przez pola magnetyczne przenikające Wszechświat, powodując, że docierają do Ziemi izotropowo – to znaczy ze wszystkich kierunków. Po drodze tracą energię w wyniku interakcji ze światłem i polami magnetycznymi. Te straty energii są szczególnie znaczące w przypadku najbardziej energetycznych elektronów i pozytonów, znanych jako elektrony promieniowania kosmicznego (CRe), które przenoszą energię przekraczającą jeden teraelektronowolt (TeV) – zdumiewającą 1000 miliardów razy większą energię światła widzialnego.[1]
W rezultacie określenie dokładnego pochodzenia tych wysokoenergetycznych cząstek w przestrzeni kosmicznej jest niemożliwe. Niemniej jednak ich wykrycie na Ziemi potwierdza obecność niezwykle potężnych akceleratorów promieniowania kosmicznego w naszym galaktycznym sąsiedztwie.
Obserwacje naziemne w HESS
Jednak wykrywanie elektronów i pozytonów o energiach kilku teraelektronowoltów jest szczególnie trudne. Instrumenty kosmiczne, których obszar detekcji wynosi około jednego metra kwadratowego, nie są w stanie wychwycić wystarczającej liczby takich cząstek, których jest coraz mniej, im wyższa jest ich energia. Z drugiej strony instrumenty naziemne, które pośrednio wykrywają przybycie promieni kosmicznych poprzez pęki cząstek wytwarzanych przez nie w atmosferze ziemskiej, stoją przed wyzwaniem odróżnienia pęków wywoływanych przez elektrony (lub pozytony) promieniowania kosmicznego od pęków znacznie częstsze pęki powstające w wyniku uderzenia cięższych protonów i jąder promieniowania kosmicznego.
Obserwatorium HESS[2] zlokalizowana w Namibii wykorzystuje pięć dużych teleskopów do wychwytywania i rejestrowania słabego promieniowania Czerenkowa wytwarzanego przez silnie naładowane cząstki i fotony, które dostają się do atmosfery ziemskiej, tworząc po sobie deszcz cząstek. Chociaż głównym celem Obserwatorium jest wykrywanie i selekcja promieni gamma w celu zbadania ich źródeł, dane można również wykorzystać do poszukiwania elektronów promieniowania kosmicznego.
Przełomy w badaniach nad promieniowaniem kosmicznym
W ramach najbardziej obszernej analizy, jaką kiedykolwiek przeprowadzono, naukowcy współpracujący z HESS uzyskali nowe informacje na temat pochodzenia tych cząstek. Astrofizycy dokonali tego, przeczesując ogromny zbiór danych zebranych w ciągu dziesięciu lat przez cztery 12-metrowe teleskopy, stosując nowe, potężniejsze algorytmy selekcji, zdolne do wyodrębnienia CRe z szumu tła z niespotykaną dotąd wydajnością. W rezultacie powstał niezrównany zestaw danych statystycznych do analizy elektronów promieniowania kosmicznego. Mówiąc dokładniej, badaczom z projektu HESS udało się po raz pierwszy uzyskać dane dotyczące CRe w najwyższych zakresach energii, aż do 40 TeV. Umożliwiło im to zidentyfikowanie zaskakująco ostrej przerwy w rozkładzie energii elektronów promieniowania kosmicznego.
„To ważny wynik, ponieważ możemy stwierdzić, że zmierzone CRe najprawdopodobniej pochodzą z bardzo niewielu źródeł w pobliżu naszego Układu Słonecznego, maksymalnie do kilku 1000 lat świetlnych stąd, czyli bardzo małej odległości w porównaniu do wielkości naszej Galaktyki” – wyjaśnia Kathrin Egberts z Uniwersytetu w Poczdamie, jedna z autorek badania.
„Dzięki naszej szczegółowej analizie po raz pierwszy udało nam się nałożyć poważne ograniczenia na pochodzenie tych kosmicznych elektronów” – dodaje prof. Hofmann z Max-Planck-Institut für Kernphysik, współautor badania.
„Bardzo niskie strumienie przy większych TeV ograniczają możliwości misji kosmicznych konkurowania z tym pomiarem. Tym samym nasz pomiar nie tylko dostarcza danych w kluczowym i wcześniej niezbadanym zakresie energii, wpływając na nasze zrozumienie lokalnego sąsiedztwa, ale prawdopodobnie pozostanie punktem odniesienia na nadchodzące lata” – Mathieu de Naurois, badacz CNRS z Laboratoire Leprince-Ringuet, dodaje.
Notatki
- 1 TeV = 1012 elektronowoltów.
- Wysokoenergetyczne promienie gamma można obserwować z ziemi jedynie dzięki bardzo specyficznemu zjawisku. Kiedy promień gamma dociera do atmosfery, zderza się ze swoimi atomami i cząsteczkami, tworząc nowe cząstki, które pędzą w kierunku ziemi niczym lawina. Cząstki emitują błyski trwające zaledwie miliardowe części sekundy (promieniowanie Czerenkowa), które można obserwować za pomocą dużych, specjalnie wyposażonych teleskopów naziemnych. Obserwatorium HESS, zlokalizowane na wyżynie Khomas w Namibii, na wysokości 1835 m, oficjalnie rozpoczęło działalność w 2002 roku. Składa się z pięciu teleskopów. W rogach kwadratu umieszczono cztery teleskopy ze zwierciadłami o średnicy 12 m, a pośrodku kolejny teleskop o średnicy 28 m. Umożliwia to wykrywanie kosmicznych promieni gamma o natężeniu od kilkudziesięciu gigaelektronowoltów (GeV, 109 elektronowoltów) do kilkudziesięciu teraelektronowoltów (TeV, 1012 elektronowoltów). Dla porównania fotony światła widzialnego mają energię od dwóch do trzech elektronowoltów. HESS jest obecnie jedynym instrumentem obserwującym południowe niebo w wysokoenergetycznym świetle gamma. Jest to także największy i najbardziej czuły system teleskopowy tego typu.
Odniesienie: „Wysokostatystyczny pomiar widma elektronów promieniowania kosmicznego za pomocą HESS” 18 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
