Acceleratori in Cosmos?

Acceleratori in Cosmos?

Intrebarea 8: Cum functioneaza acceleratorii cosmici si ce accelereaza ei?

Intrebarea a opta este nu doar una speciala, ci si una oarecum neasteptata.Inca din anul 1932 cand a fost identificata, stim ca ne aflam in permanenta sub un "dus" de radiatie cosmica.Dar daca sursele de energie din Cosmos nu sunt deci un lucru neasteptat, existenta unor asemenea surse cu intensitati nici macar visate inca pe Terra, este: ele ajung pana la 300 de milioane de TeV, in conditiile in care energiile marilor acceleratori prevazute a intra in functiune la sfarsitul primei jumatati a actualului deceniu (printre care LHC la CERN, Geneva) este de mai putin de 3 TeV! Mai mult, avem de a face cu adevarate fascicule energetice, care "parca" ar fi fost "scoase" din niste invizibile acceleratori cosmice.

8.1. Proiectile din cer

.razele cosmice. Un flux de nuclee atomice de mare energie, in special protoni, care ne sosesc din mediul inters 414i85e telar si, poate, chiar din cel intergalactic. Pe langa razele cosmice primare, provenind din spatiul extra-atmosferic, exista si raze cosmice secundare, produse ale interactiei acestor nuclee cu atmosfera terestra. Studiind devierea lor in campul magnetic al Pamantului, Bruno Rossi arata (1931) ca ele sunt deviate preponderent spre est, deci sunt incarcate, in cea mai mare parte, pozitiv. Distributia lor spatiala este izotropa, adica aceeasi in toate directiile, iar intensitatea lor este constanta la inaltimi de peste 50 Km (ea creste la inaltimi mai mici din cauza prezentei radiatiei cosmice secundare). Sursa cea mai importanta a energiei razelor cosmice este energia nucleara: materie stelara "expulzata" la mari distante in explozii puternice si accelerata in campurile magnetice interstelare. Exista si fluxuri de raze cosmice emise de Soare, identificabile usor, pentru ca intensitatea lor creste brusc in timpul eruptiilor solare. Unele din ele, cu energii de ordinul a cativa electron-Volti, se crede ca sunt accelerate la viteze enorme (aproape de viteza luminii!) de undele de soc asociate cu explozii de supernove. Alte raze cosmice au energii intre 1-10⁵ MeV. Care poate fi insa originea unor raze cosmice ale caror energii ajung la 3x10¹⁴ MeV?! Asemenea radiatii nici nu ar trebui de fapt sa existe, pentru ca trebuind sa traverseze o adevarata mare de fotoni ai radiatiei de fond, cu un diametru de aproximativ 100 000 de ani-lumina, radiatia cosmica ar trebui sa-si piarda energia! Si cine ar fi componentii acestei radiatii? Majoritatea, protoni, probabil, provenind din nuclee galactice active, mari explozii gamma si, iarasi probabil, diferite "relicve" ale Big Bang-ului, printre care defectele topologice. Oricum, explicarea originii acestor extrem intense radiatii cosmice constituie una din cele mai dificile probleme cu care se va confrunta astrofizica secolului XXI. Si protonii nu sunt singurii: lor li se adauga neutrini, provenind din dezintegrarile de quarci si gluoni care umpleau Universul cand acesta se afla la stadiul de timp si energie ale marii unificari, cand existau doar gravitatia si forta electro-tare. In fine, mai exista si un al treilea candidat: fotonii gamma de mare energie (de ordinul a 10 TeV), produsi probabil "la nivel local" (altfel ar disparea in timpul deplasarii lor, datorita tendintei de a se combina cu fotonii infrarosii -lungimi de unda foarte mari- din radiatia de fond pentru a genera perechi electron-positron) si fiind foarte probabil produse secundare ale acceleratiei misterioaselor raze cosmice de  mare energie. Raze gamma foarte intense (energii pana la 10 TeV) pot fi inregistrate in jeturile nucleelor galactice active. Existenta lor sugereaza si prezenta d e particule incarcate de energii de acelasi ordin de marime si, impreuna cu exploziile gamma (gamma bursts) se considera ca implica deplasari masive de materie in cadrul unui proces de acretie pe gauri negre masive din vecinatate.

8.2. Identificarea

Ca sa obtinem informatie asupra unui accelerator cosmic trebuie sa putem masura energia particulelor accelerate datorita lui, dar si cea a produselor secundare ale accelerarii - fotonii si neutrinii. Cum sa identifici insa care particule sunt intr-adevar cele accelerate? Dificultatea se datoreste campurilor magnetice traversate de aceste particule accelerate, care "incurca" pe parcurs traiectoriile particulelor (termenul folosit in raport este "scramble" cum se intampla atunci cand se intervine asupra mesajelor care nu dorim sa fie intelese de oricine care asculta). Se recurge atunci la particulele neutre, in majoritatea cazurilor la fotonii gamma de diverse energii si la neutrini, care nu sunt deviate in camp magnetic si permit astfel urmarirea "inapoi" a traiectoriei, pana la sursa. Aceasta cu conditia ca aceasta sa fie suficient de "luminoasa"! La energii foarte mari se poate retrasa chiar si drumul urmat de protonii accelerati - lucru posibil deoarece deformarea traiectoriei unei particule incarcate in camp magnetic este invers proportionala, cum se stie, cu energia acesteia si, in plus, acesti protoni este neaparat necesar sa provina de la surse "locale", altfel ar fi disparut de mult in urma interactiei cu fotoni din radiatia de fond. "Tehnica" folosita este acumularea cat mai multor date de traiectorii, ceea ce permite in final identificarea unei "scheme" si astfel localizarea sursei. Pasul urmator este folosirea sistemelor de detectie direct din spatiu a cascadelor de particule de mare energie, o "privire de sus" a atmosferei terestre, ceea ce permite exploatarea zonelor cu o frecventa mai mare a evenimentelor si va permite de asemenea si observarea unor cascade orizontale de neutrini, declansate in adancurile atmosferei sau chiar in scoarta terestra.

8.3. Cum functioneaza acceleratorii cosmice?

Nu se stie cu precizie. Poate ca sursele de protoni de energii foarte inalte (pentru care, cum spuneam, exista serioase motive astrofizice de a considera ca sunt generati de surse foarte puternice, dar locale) au si fost identificate in galaxii active sau explozii de radiatie gamma. Se poate la fel de bine sa fie vorba de constituenti total noi ai Universului, cum ar fi amintitele defecte topologice. Poate fi vorba de un mecanism nou, la care inca nu ne-am gandit, dupa cum poate fi vorba de un lucru foarte cunoscut, de o "legatura" pe care inca nu am facut-o.

*

Aveti in cele trei imagini de mai sus trei dintre "animalele"cele mai stranii din "gradina zoologica" a cerului, care se pot insa dovedi intr-un viitor destul de apropiat esentiale in explicare acceleratorilor cosmice.Cred ca merita din cand in cand sa facem cate o pauza incercand sa evaluam starea actuala a cunoasterii Universului (pe care nu o mai putem concepe decat in conjunctia Astronomie-Fizica) privind in acelasi timp la evolutia celor doua stiinte.Daca socotim pe degete si fiecare deget al nostru reprezinta zece ani, inca ne ajung cele doua maini (si uneori chiar una singura!) pentru a localiza evenimentele de rascruce, care efectiv au schimbat nu fata lumii, caci ea tot aceea este, ci fata gandirii noastre.Intrebarea careia i-a fost dedicat capitolul de fata, a opta, este una destul de tehnica, intr-un fel si poate dintre cele mai neasteptate. Al carei raspuns, imi iau curajul sa o spun,va fi poate fie unul banal, fie unul extrem de surprinzator.