SKĄD POCHODZĄ PROMIENIE KOSICZNE NAJWYŻSZYCH ENERGII

  Nie znamy źródeł promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii. Jest możliwe, że cząstki o najwyższych energiach zawierają tajemnicę początku Wszechświata związaną z tajemnicą pochodzenia ich ogromnych energii, tak wiele milionów razy większą, niż potrafi wytworzyć jakikolwiek ziemski akcelerator. Najbardziej prawdopodobnymi kandydatami na źródła promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii są bardzo potężne radiogalaktyki. Są to duże galaktyki, często bardzo od nas odległe, które oprócz światła widzialnego emitują fale radiowe. Wydaje się pewne, że radiogalaktyki zawierają w swoich centrach masywne czarne dziury o masach wielu milionów mas Słońca. Czarna dziura jest obiektem, w którym w małym obszarze została skupiona bardzo duża masa i w którym przyciąganie grawitacyjne jest tak potężne, że nic - nawet światło - nie może z niej uciec. Co więcej, silne przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury powoduje, że materia otaczająca czarną dziurę zostaje do niej wciągnięta i "połknięta". Zanim jednak to się stanie, spadająca materia, krążąc wokół czarnej dziury, zostanie stłoczona w tzw. dysku akrecyjnym, co powoduje zwykle wyrzucenie małej części tej materii z ogromną prędkością wzdłuż osi obrotu dysku akrecyjnego.
  Strugi wyrzucanej materii powodują powstanie gigantycznych fal uderzeniowych, w których mogą być przyspieszane cząstki. Właśnie silne promieniowanie radiowe jest sygnałem, że cząstki są tam intensywnie przyspieszane. Poniższy rysunek pokazuje przykład takiej sytuacji rzeczywiście zaobserwowanej:

  Radiogalaktyka "Łabędź A" (Cygnus A), jest jednym z najsilniejszych radioźródeł na niebie. Na mapie radiowej (kolor czerwony na lewym, górnym zdjęciu) galaktyka jest maleńką kropką pomiędzy ogromnymi radiowymi obłokami rozpływającymi się w przestrzeni. Na tym samym zdjęciu obraz optyczny zaznaczony jest kolorem zielonym. Dolne zdjęcie przedstawia sam obraz radiowy, zaś z prawej strony widać zbliżenie wykonane Teleskopem Hubble'a samego jądra galaktyki. Ta dziwaczna galaktyka radiowa okazała się zadziwiająco odległa. Jest od nas oddalona o 700 milionów lat świetlnych, czyli o 211 Mpc, czyli znajduje się 500 razy dalej od Galaktyki w Andromedzie. Cygnus A składa się z dwóch, odległych od siebie o ponad pół miliona lat świetlnych, dominujących obszarów emisji radiowej, które wykraczają daleko poza centralnie położoną galaktykę. Jest to jedna z najmocniejszych znanych radiogalaktyk we Wszechświecie.







  Podobnie wydaje się, że w zderzeniach galaktyk powstają potężne fale uderzeniowe mogące przyspieszać cząstki do najwyższych obserwowanych energii.

  Zdjęcie wykonane przez Teleskop kosmiczny Hubble'a przedstawia wspaniały "pokaz fajerwerków" towarzyszący centralnemu zderzeniu dwu galaktyk. Zdjęcie z lewej strony - to obraz teleskopu naziemnego galaktyk znanych pod nazwą "Czułki", lub NGC4038/4039 - nazwanych tak ze względu na widoczne w nich długie ogony świecącej materii uformowane przez grawitacyjne siły pływowe ich zderzenia, przypominające czułki owada. Zdjęcie z prawej strony, to zbliżenie centrów galaktyk wykonane przez Teleskop Hubble'a. Oba centra widoczne są jako pomarańczowe plamy z lewej i prawej strony zdjęcia, przysłonięte przez pasma pyłów. Między nimi rozciąga się szeroki pas chaotycznego pyłu. Widać również rysujące się dalekosiężne spiralne ramiona utworzone z gromad niebieskich gwiazd - ukazujące obszary burzliwej działalności gwiazdotwórczej wywołanej zderzeniem. Galaktyki znajdują się w odległości 63 milionów lat światła w konstelacji Kruka.


  Dopiero jednak obserwacje cząstek, o których wiedzielibyśmy, że pochodzą z radiogalaktyk czy też z miejsc o których wiemy, że zachodzą tam zderzenia galaktyk pozwoliłoby na sprawdzenie tych hipotez i jednocześnie byłoby sprawdzeniem, czy prawidłowo rozumiemy procesy przebiegające w tak odległych obiektach astronomicznych. Źródła błysków gamma - najpotężniejszych obserwowanych eksplozji we Wszechświecie -prawdopodobnie również mogą przyspieszać cząstki do skrajnie wysokich energii. Jednak o ile wiemy, obserwowane błyski gamma pochodzą ze źródeł tak odległych, że cząstki nie mogą stamtąd dotrzeć z powodu obcięcia GZK.

  Obraz błysku gamma GRB 971214 otrzymany przez 10 metrowy teleskop W.M.Keck na Hawajach. Na zdjęciu z lewej strony widać rozbłysk (zaznaczony strzałką) zarejestrowany około 2 dni po wybuchu. Zdjęcie z prawej strony przedstawia ten sam obszar widziany około 2 miesiące później, gdy jasność błysku przygasła. Widać w tym miejscu słabą galaktykę odległą od nas o około 12 miliardów lat światła.

  Lewy obraz - to zdjęcie błysku gamma GRB 971214 otrzymane przez teleskop Keck 2 dni po rozbłysku. Obraz po prawej stronie - to zdjęcie Teleskopu kosmicznego Hubble'a wykonane około 4 miesiące później.


  Wykres przedstawia narastanie natężenia błysku GRB971214 zmierzone przez satelitę BATSE. Wytłumaczenie nagłych zmian intensywności rozbłysku jest stale zagadką dla astrofizyków.


  Kosmologowie - naukowcy którzy badają strukturę i dynamikę Wszechświata - oferują inne możliwe wyjaśnienia tajemniczego źródła promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach. Kosmologowie postulują, że Wszechświat jest wypełniony reliktami pozostałymi po Wielkim Wybuchu - hipotetycznymi obiektami zwanymi defektami topologicznymi, o nazwach takich jak "struny kosmiczne", "ściany domen", czy " monopole". Chociaż obiekty te zajmują poczesne miejsce w teorii ewolucji Wszechświata, nie mamy żadnego dowodu eksperymentalnego, że one rzeczywiście istnieją. Jednakże gdyby istniały i gdyby czasem się rozpadały (na leptony i kwarki), to procesy te wyzwalałyby dość energii, aby wykreować najwyższych energii promienie kosmiczne . Gdybyśmy mogli ustalić związek między promieniowaniem kosmicznym skrajnie wysokich energii a rozpadami defektów topologicznych, stanowiłoby to dowód istnienia defektów topologicznych i wielki krok naprzód w zrozumieniu wczesnego Wszechświata.

  Teorie, które próbują zunifikować podstawowe siły natury w jedną jedyną siłę działającą w pierwszych chwilach Wszechświata, mówią, że podczas oziębiania się, jakie nastąpiło podczas pierwszych ułamków sekund jego istnienia, Wszechświat "popękał i w jego tkaninie powstały delikatne rysy w formie długich i cienkich "strun".
  Rozciągają się one na przestrzeni miliardów kilometrów lat świetlnych i są nieprawdopodobnie masywne i gęste. Chociaż jak dotychczas żadnej struny kosmicznej nie zaobserwowano, to jednak niektórzy astrofizycy przypuszczają, że to właśnie one mogą tworzyć owe delikatne włókienka nakreślane na niebie przez galaktyki.