Μία νέα μελέτη ρίχνει φως σε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της αστροφυσικής: την προέλευση των πιο ισχυρών κοσμικών ακτίνων στο Σύμπαν. Σύμφωνα με έρευνα που πρόκειται να δημοσιευτεί στο περιοδικό Astronomy & Astrophysics, οι υπερκαινοφανείς αστέρες (supernovas) μπορεί να λειτουργούν ως οι πιο ισχυροί επιταχυντές σωματιδίων στο Σύμπαν, αλλά μόνο υπό πολύ συγκεκριμένες συνθήκες.
Οι κοσμικές ακτίνες, που είναι κατά κύριο λόγο πρωτόνια και πυρήνες βαρέων στοιχείων, βομβαρδίζουν τη Γη εδώ και σχεδόν έναν αιώνα. Οι πιο ενεργητικές από αυτές φτάνουν επίπεδα ενέργειας της τάξης του ενός peta-electron volt (PeV), δηλαδή ένα τετράκις εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ, ξεπερνώντας κατά χίλιες φορές τη δύναμη των συγκρούσεων που παράγει ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider – LHC), ο ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στη Γη.
Οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι οι εκρήξεις supernova αποτελούν την πηγή αυτών των υπέρ-ενεργητικών ακτίνων, καθώς διαθέτουν τα κατάλληλα στοιχεία: τεράστιες ενεργειακές εκρήξεις, πληθώρα στοιχειωδών σωματιδίων και ισχυρά μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις υπολειμμάτων κοντινών supernova, όπως οι Tycho και Cassiopeia A, έδειξαν σημαντικά χαμηλότερα επίπεδα κοσμικών ακτίνων από τα αναμενόμενα, θέτοντας σε αμφιβολία τη θεωρία.
Η νέα μελέτη, όμως, ανατρέπει αυτή την αβεβαιότητα, υποδεικνύοντας ότι κάποιες supernovas μπορούν πράγματι να μετατραπούν σε PeVatrons, όρος που περιγράφει εκρήξεις ικανές να παράγουν κοσμικές ακτίνες με ενέργεια της τάξης του PeV. Το κλειδί, σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι η παρουσία ενός πυκνού, κοντινού κελύφους αερίου γύρω από το άστρο, το οποίο έχει αποβληθεί πριν την έκρηξη.
Για να δημιουργηθεί αυτό το δυναμικό επιταχυντικό περιβάλλον, το άστρο πρέπει να έχει αποβάλει τουλάχιστον τη διπλάσια μάζα του Ήλιου σε αέρια μάζα. Αυτό είναι σχετικά συχνό φαινόμενο, καθώς ισχυροί αστρικοί άνεμοι μπορούν να απομακρύνουν τα εξωτερικά στρώματα του άστρου. Ωστόσο, για να προκληθεί η επιτάχυνση PeV σωματιδίων, το αποβαλλόμενο υλικό πρέπει να παραμείνει συμπυκνωμένο κοντά στο άστρο.
Όταν τελικά λάβει χώρα η έκρηξη supernova, το ωστικό κύμα συγκρούεται με το κέλυφος αυτό. Οι μαγνητικές γραμμές ενισχύονται δραματικά, παγιδεύοντας τα σωματίδια και επιταχύνοντάς τα κάθε φορά που αναπηδούν μέσα στο κύμα. Μετά από αρκετές αναπηδήσεις, τα σωματίδια αποκτούν αρκετή ενέργεια ώστε να απελευθερωθούν στο διάστημα ως κοσμικές ακτίνες εξαιρετικής ενέργειας.
Ωστόσο, αυτό το στάδιο διαρκεί πολύ λίγο, μόλις λίγους μήνες. Καθώς το ωστικό κύμα εξασθενεί, το σύστημα δεν μπορεί πλέον να παράγει ακτίνες PeV, αν και εξακολουθεί να παράγει ακτίνες με χαμηλότερη ενέργεια.
Αυτό εξηγεί γιατί δεν έχουμε παρατηρήσει ενεργά PeVatrons μέχρι σήμερα. Παρά το γεγονός ότι εκρήξεις supernova συμβαίνουν στον Γαλαξία κάθε λίγα χρόνια, καμία τα τελευταία εκατοντάδες χρόνια δεν έχει λάβει χώρα αρκετά κοντά ώστε να παρατηρήσουμε αυτό το σύντομο αλλά κρίσιμο παράθυρο παραγωγής υπερ-ενεργητικών κοσμικών ακτίνων.
Η έρευνα προσφέρει έναν ελπιδοφόρο οδηγό για μελλοντικές παρατηρήσεις και ίσως φέρει τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην αποκρυπτογράφηση των μυστηρίων του Σύμπαντος, αποκαλύπτοντας τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων, όχι σε κάποιο υπόγειο εργαστήριο, αλλά στα βάθη του Διαστήματος.
[via]
