Noi cercetări sugerează că razele cosmice ultra-energetice, precum misterioasa particulă Amaterasu, ar putea fi nuclee atomice mai grele decât fierul, capabile să călătorească prin spațiu fără a-și…
Misterul razelor cosmice ultra-energetice
Razele cosmice cu energie ultra-înaltă (UHECR) reprezintă una dintre cele mai enigmatice manifestări ale Universului.
Aceste particule subatomice, care bombardează constant Pământul, posedă energii de peste 100 de exa-electronvolți (EeV), adică de aproximativ 10 milioane de ori mai mult decât particulele accelerate în cel mai puternic accelerator construit vreodată de om, Large Hadron Collider de la CERN.
Deși au fost descoperite acum peste 60 de ani, originile și natura lor exactă rămân necunoscute.
În 2021, experimentul Telescope Array din Utah a detectat o astfel de particulă, botezată „Amaterasu” după zeița japoneză a soarelui, cu o energie de 240 EeV – comparabilă cu energia cinetică a unei mingi de tenis lovite cu viteză, dar concentrată într-o singură particulă.
Ceea ce i-a uimit pe cercetători este că această particulă părea să provină dintr-un vid cosmic, o regiune fără surse evidente capabile să producă asemenea energii.
Nuclee atomice ultramasive: o nouă ipoteză
Un studiu recent publicat în revista Physical Review Letters de către fizicienii de la Penn State aduce o perspectivă revoluționară: o parte dintre aceste raze cosmice record ar putea fi alcătuite din nuclee atomice mai grele decât fierul.
Nucleele atomice sunt centrele dense ale atomilor, formate din protoni și neutroni, care concentrează aproape întreaga masă a unui atom. Până acum, se credea că majoritatea razelor cosmice sunt protoni sau nuclee ușoare.
Însă simulările computerizate detaliate arată că nucleele ultramasive își pierd energia mult mai lent în timpul călătoriei prin spațiul intergalactic, ceea ce le-ar permite să traverseze distanțe cosmice enorme și să ajungă pe Pământ cu energii excepțional de mari. Această descoperire ar putea explica de unde provin particule precum Amaterasu.
Cum se accelerează aceste particule?
„Razele cosmice cu energie ultra-înaltă pot fi accelerate doar de unele dintre cele mai puternice surse din Univers”, explică Kohta Murase, profesor de fizică, astronomie și astrofizică la Penn State și coordonatorul echipei de cercetare.
Printre candidații posibili se numără fuziunile stelelor neutronice, colapsul stelelor masive (supernovele) și nucleele galactice active. În cazul fuziunii stelelor neutronice, coliziunea creează în câteva milisecunde câmpuri magnetice de trilioane de ori mai puternice decât cel al Pământului, capabile să accelereze particulele la energii extreme.
De asemenea, aceste evenimente produc kilonove – explozii luminoase generate de dezintegrarea radioactivă a elementelor grele formate în timpul fuziunii. Totuși, direcția de sosire a particulei Amaterasu nu corespunde cu nicio sursă cunoscută din apropiere, ceea ce sugerează că mecanismele de accelerare ar putea fi și mai exotice.
Călătoria prin spațiul intergalactic: supraviețuirea nucleelor grele
Un aspect crucial al cercetării este modul în care aceste particule interacționează cu fundalul cosmic de fotoni și cu câmpurile magnetice intergalactice. Simulările arată că nucleele grele, datorită masei lor mai mari, sunt mai puțin afectate de procese precum foto-dezintegrarea sau pierderea de energie prin interacțiuni cu radiația de fond.
În timp ce protonii și nucleele ușoare își pierd rapid energia pe distanțe mari, nucleele de fier sau chiar mai grele pot rămâne aproape neatinse. Acest lucru înseamnă că particule detectate pe Pământ ar putea proveni de la distanțe mult mai mari decât se credea anterior, de la sute de milioane de ani-lumină.
Astfel, vidul cosmic din care pare să vină Amaterasu ar putea fi doar o iluzie: sursa reală s-ar afla dincolo de orizontul vizibil, iar particula a reușit să ajungă intactă datorită naturii sale masive.
Implicații pentru fizica fundamentală și cosmologie
Descoperirea că razele cosmice ultra-energetice ar putea fi nuclee grele are consecințe profunde. În primul rând, oferă o nouă fereastră către procesele extreme din Univers, cum ar fi fuziunile stelelor neutronice sau colapsul stelelor masive, care sunt singurele capabile să producă astfel de particule.
În al doilea rând, aceste nuclee poartă informații despre compoziția și câmpurile magnetice din spațiul intergalactic. De asemenea, ele pot fi folosite pentru a testa limitele teoriei relativității și a modelelor de fizică dincolo de Modelul Standard.
De exemplu, unele teorii sugerează că la energii atât de mari, particulele ar putea interacționa cu fundalul cosmic de neutrini sau ar putea dezvălui noi particule exotice. În plus, studiul ajută la înțelegerea distribuției surselor de raze cosmice în Univers și a modului în care acestea au evoluat de-a lungul timpului cosmic.
Provocări și perspective viitoare
Deși rezultatele sunt promițătoare, cercetătorii subliniază că nu toate razele cosmice ultra-energetice sunt neapărat nuclee grele. Este posibil ca o parte dintre ele să fie totuși protoni sau nuclee ușoare, iar datele actuale nu permit o distincție clară.
Pentru a confirma această ipoteză, sunt necesare observații suplimentare cu ajutorul unor detectoare mai mari și mai sensibile, precum viitorul observator Pierre Auger upgradat sau propunerea GRAND (Giant Radio Array for Neutrino Detection).
De asemenea, detectarea simultană a neutrinilor și a razelor gamma asociate cu aceste evenimente ar putea oferi dovezi directe. Pe măsură ce tehnologia avansează, ne apropiem de a desluși unul dintre cele mai vechi mistere ale astrofizicii: originea celor mai puternice particule din Univers.
