Niezwykle potężne promienie kosmiczne spadają na nas. Nikt nie wie, skąd pochodzą.

Możesz myśleć, że największe, najbardziej zagmatwane tajemnice wszechświata istnieją daleko tam, na krawędzi czarnej dziury lub wewnątrz eksplodującej gwiazdy.

Nie, wielkie tajemnice wszechświata otaczają nas, przez cały czas. One nawet przenikają nas, płynąc prosto przez nasze ciała. Jedną z takich tajemnic są promienie kosmiczne, zbudowane z maleńkich kawałków atomów. Te promienie, które przechodzą przez nas w tej chwili, nie są szkodliwe dla nas ani dla żadnego innego życia na powierzchni Ziemi.

Ale niektóre z nich niosą tak wielką energię, że fizycy nie wiedzą, jaki obiekt we wszechświecie mógł je wytworzyć. Wiele z nich jest o wiele za potężnych, aby mogły pochodzić z naszego Słońca. Wiele z nich jest zbyt potężnych, by mogły pochodzić od eksplodującej gwiazdy. Ponieważ promienie kosmiczne często nie poruszają się w linii prostej, nie wiemy nawet, z którego miejsca na nocnym niebie pochodzą.

Odpowiedź na zagadkę promieni kosmicznych może dotyczyć obiektów i zjawisk fizycznych we wszechświecie, których nikt nigdy wcześniej nie widział ani nie zarejestrował. Fizycy prowadzą obecnie na całym świecie kilka ogromnych eksperymentów poświęconych rozwikłaniu tej sprawy.

Chociaż nie wiemy, skąd pochodzą ani jak się tu dostały, możemy zobaczyć, co się dzieje, gdy te promienie kosmiczne uderzają w atmosferę naszej planety z prędkością bliską prędkości światła.

Promienie kosmiczne są posłańcami z szerszego wszechświata; przypominają nam, że jesteśmy jego częścią, i przypominają, że wciąż jest tam wiele tajemnic. Przyjrzyjmy się z bliska tym zdumiewającym cząstkom, padającym na Ziemię z daleka.

Wpadają w naszą atmosferę

Gdy cząstki promieni kosmicznych zderzają się z atomami w górnej części atmosfery, pękają, rozrywając atomy w gwałtownym zderzeniu. Cząstki z tej eksplozji następnie rozrywają inne kawałki materii, w reakcji łańcuchowej w kształcie kuli śnieżnej. Niektóre z tych atomowych odłamków trafiają nawet na ziemię.

Można to zobaczyć w akcji, budując coś, co nazywa się komorą chmurową ze szklanego słoika, filcu, suchego lodu i alkoholu izopropylowego (tj.e. alkohol ścierny). Filc moczy się w alkoholu, a suchy lód (który jest bardzo zimnym stałym dwutlenkiem węgla) schładza opary alkoholu, które spływają z filcu. W ten sposób powstaje chmura oparów alkoholu.

W tej komorze można zobaczyć promienie kosmiczne, szczególnie te pochodzące od cząstki zwanej mionem. Miony są jak elektrony, ale nieco cięższe. Każdy centymetr kwadratowy Ziemi na poziomie morza, włączając w to przestrzeń na czubku twojej głowy, jest co minutę uderzany przez jeden mion.

Podobnie jak elektrony, miony mają ładunek ujemny. Kiedy miony przelatują przez chmurę alkoholu, jonizują (ładują) powietrze, przez które przechodzą. Ładunek w powietrzu przyciąga opary alkoholu, które skraplają się w kropelki. Kropelki te śledzą drogę, jaką promienie kosmiczne pokonały w komorze.

Kiedy zobaczysz ścieżki, jakimi poruszają się miony, pomyśl o tym: Te subatomowe cząstki spadają na Ziemię z prędkością równą 98 procentom prędkości światła.

Przemieszczają się tak szybko, że doświadczają dylatacji czasu przewidzianej przez teorię szczególnej względności Einsteina. Mają się rozpadać – tzn. rozpadać się na mniejsze składniki, elektrony i neutrina – w ciągu zaledwie 2,2 mikrosekundy, co oznaczałoby, że ledwie dotrą 2000 stóp w dół od szczytu atmosfery, zanim umrą. Ale ponieważ poruszają się tak szybko, w stosunku do nas, starzeją się 22 razy wolniej (podobna rzecz przydarzyła się postaci Matthew McConaugheya w filmie „Interstellar”, gdy zwiększył swoją względną prędkość zbliżając się do czarnej dziury)

Gdyby teoria Einsteina nie była prawdziwa, nie widzielibyśmy żadnych mionów w komorze chmur. Na szczęście są one nieszkodliwe, poruszają się tak szybko, że nie mają czasu, by zadać cios w ciało. Naukowcy mogą zrobić z mionami kilka fajnych rzeczy, jak na przykład użyć ich do sfotografowania wnętrza Wielkiej Piramidy w Egipcie.

Przypomnijmy, że te promienie były potencjalnie napędzane przez siły spoza naszego Układu Słonecznego, przez siły, których fizycy nie rozumieją. To jest po prostu niesamowite.

„Nasi koledzy fizycy teoretyczni są zakłopotani” tym, jak te cząstki są energetyzowane, mówi Charles Jui, fizyk z University of Utah polujący na promienie kosmiczne. „Nie możemy też ustalić, skąd one pochodzą.”

Promienie kosmiczne, wyjaśnienie

Tajemnica promieni kosmicznych zaczęła się od ich odkrycia w 1912 roku. Wtedy to fizyk Victor Hess wybrał się na przejażdżkę balonem na ogrzane powietrze i odkrył, że ilość promieniowania w atmosferze wzrasta im wyżej się znajdujesz.

Był na balonie, aby odizolować swój eksperyment od promieniowania. Ale wyżej było już tylko głośniej. To doprowadziło go do wniosku, że promieniowanie pochodziło z przestrzeni kosmicznej, a nie z radioaktywności skał na Ziemi.

Podczas całkowitego zaćmienia Słońca odbył również podróż balonem. Z księżycem blokującym słońce, promieniowanie kosmiczne pochodzące ze słońca powinno zostać odfiltrowane. Ale mimo to nagrał kilka z nich. To doprowadziło go do wniosku, że promieniowanie nie pochodzi ze Słońca, lecz z głębszych warstw przestrzeni kosmicznej. Jego odkrycie promieni kosmicznych przyniosło mu w 1936 r. nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Najwyżejenergetyczna cząstka promieniowania kosmicznego, jaką kiedykolwiek zarejestrowano, zwana cząstką „Oh-My-God”, była około 2 miliony razy bardziej energetyczna niż najbardziej napompowany proton napędzany przez Wielki Zderzacz Hadronów, najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek.

Ta energia, jak wyjaśnia Antonella Castellina, włoska astrofizyczka z Obserwatorium Pierre’a Augera, jest podobna do uderzenia piłki przez najlepszego tenisistę z całej siły. Teraz nie brzmi to jak dużo. Ale wyobraź sobie, że cała ta energia jest ściśnięta na obszarze mniejszym niż atom – to ekstremalne. Jest to wystarczająca moc, aby włączyć żarówkę na sekundę lub dłużej. „Nikt nie wie, co we wszechświecie jest w stanie dać cząstce subatomowej taką energię,” mówi.

Nawet naukowcy są zdumieni, jak taka cząstka może w ogóle dotrzeć na Ziemię. Uważa się, że cząstki o tak szalonej energii oddziałują z promieniowaniem pozostałym po Wielkim Wybuchu i powstaniu wszechświata, które powinno je zatrzymać zanim do nas dotrą.

Co stworzyło cząstkę „O-Mój-Boże” i podobnie potężne promienie kosmiczne jest kompletną, zaskakującą tajemnicą. (Być może zastanawiasz się, dlaczego nazywamy te cząstki „promieniami”? To trochę błędne określenie, które utrwaliło się od czasu, gdy odkryto je sto lat temu. Są one również nazywane „astrocząsteczkami”. Ale promienie kosmiczne brzmią fajniej, więc będziemy się tego trzymać.)

Promienie kosmiczne zostały odkryte 100 lat temu. Możecie więc pomyśleć: Dlaczego nie możemy się dowiedzieć, co strzela do nas tymi promieniami kosmicznymi?

Wiemy, że niektóre promienie kosmiczne pochodzą ze Słońca. Ale najsilniejsze z nich, najbardziej tajemnicze, pochodzą z bardzo odległych galaktyk i wszechświata.

Problem z poszukiwaniem źródeł tych promieni kosmicznych o bardzo wysokiej energii polega na tym, że nie zawsze poruszają się one w linii prostej. Różne pola magnetyczne galaktyki i wszechświata odchylają je i układają na krętych ścieżkach.

Wiele promieni kosmicznych, które uderzają w Ziemię – szczególnie te, które pochodzą od naszego Słońca – odchyla się w kierunku biegunów z powodu ziemskiego pola magnetycznego. To dlatego mamy północne i południowe zorze w pobliżu biegunów.

Jest kilka ogromnych projektów w trakcie realizacji, aby lepiej zrozumieć skąd pochodzą te promienie kosmiczne. Jeden z nich dotyczy naprawdę ogromnego bloku lodu na biegunie południowym.

Ogromny blok lodu na biegunie południowym jest gigantycznym detektorem promieniowania kosmicznego

Na dnie świata nie ma zbyt wiele żywych istot, z wyjątkiem fizyków. Tam, na biegunie południowym, zbudowali oni Obserwatorium Neutrin IceCube, wykute bezpośrednio w lodzie pod powierzchnią bieguna południowego.

Jest to 1 km sześcienny (około 1,3 mld jardów sześciennych) bloku krystalicznie czystego lodu otoczonego czujnikami. Czujniki te są ustawione tak, aby wykrywać, kiedy cząstki subatomowe zwane neutrinami – które podróżują wraz z innymi cząstkami subatomowymi w promieniach kosmicznych – uderzają w Ziemię.

Sposób działania nie różni się zbytnio od eksperymentu z komorą chmur, który pokazaliśmy powyżej. Próbuje on prześledzić drogę, jaką bardzo szczególny rodzaj promieni kosmicznych – zwany neutrinem – pokonuje przez obserwatorium.

Neutrina różnią się od innych składników promieni kosmicznych w jeden naprawdę ważny sposób: Nie oddziałują one zbytnio z innymi formami materii w ogóle. Nie mają żadnego ładunku elektrycznego. Oznacza to, że podróżują przez wszechświat w stosunkowo prostej linii, a my możemy prześledzić ich drogę do źródła.

„Jeśli świecę latarką przez ścianę, światło nie przejdzie”, powiedziała mi Naoko Kurahashi Neilson, fizyk cząstek elementarnych z Uniwersytetu Drexel. „Dzieje się tak, ponieważ cząstki światła, fotony, oddziałują z cząsteczkami w ścianie i nie mogą przeniknąć. Gdybym miał latarkę neutrinową, ten strumień neutrin przeszedłby przez ścianę.”

Ale co jakiś czas neutrino – być może jedno na 100 000 – uderzy w atom w lodzie w obserwatorium i rozbije go na kawałki.

Wtedy dzieje się coś spektakularnego: Zderzenie wytwarza inne cząstki subatomowe, które następnie są rozpędzane do prędkości szybszej niż prędkość światła, gdy przechodzą przez lód.

Mogłeś słyszeć, że nic nie może podróżować szybciej niż światło. To prawda, ale tylko w próżni. Fotony tworzące światło (cząstki subatomowe) rzeczywiście nieco zwalniają, gdy przechodzą przez gęstą substancję, taką jak lód. Ale inne cząstki subatomowe, takie jak miony i elektrony, nie zwalniają.

Gdy cząstki poruszają się szybciej niż światło przez ośrodek taki jak lód, świecą. Nazywa się to promieniowaniem Czerenkowa. Zjawisko to jest podobne do efektu dźwiękowego. Kiedy cząsteczki poruszają się szybciej niż światło, pozostawiają po sobie smugi niesamowitego niebieskiego światła, tak jak motorówka pozostawia smugi w wodzie. Oto artystyczne wyobrażenie tego, jak to wszystko wygląda. Neutrino to kształt kropli łzy w kolorze szarym.

Inne obserwatoria poszukujące promieni kosmicznych są podobnie ogromne

Obserwatorium Pierre Auger, w którym pracuje Castellina, wykorzystuje układ 1600 zbiorników, każdy wypełniony 3000 galonami wody. Zbiorniki są rozmieszczone na obszarze ponad 1000 mil kwadratowych w Mendozie, w Argentynie.

Zbiorniki działają jak blok lodu na biegunie południowym. Jednak zamiast używać lodu do rejestrowania promieni kosmicznych, używają wody. Wewnątrz zbiorniki są całkowicie czarne jak smoła. Ale kiedy promienie kosmiczne – więcej niż tylko neutrina – dostają się do zbiorników, powodują małe wybuchy światła, poprzez promieniowanie Czerenkowa, ponieważ przekraczają prędkość światła w wodzie.

Jeśli wiele zbiorników zarejestruje wybuch promieni kosmicznych w tym samym czasie, naukowcy mogą następnie pracować wstecz i obliczyć energię cząstki, która uderzyła w szczyt atmosfery. Mogą również zgadywać, skąd cząstka została wystrzelona na niebie.

Na półkuli północnej w Utah znajduje się podobny eksperyment, zwany teleskopem. Podobnie jak zbiorniki w Ameryce Południowej, układ w Utah składa się z szeregu detektorów rozmieszczonych na ogromnym obszarze. Obecnie zajmuje on około 300 mil kwadratowych, ale trwają prace nad jego rozbudową do 1200 mil kwadratowych. (Im większy obszar, tym większa szansa na dostrzeżenie najbardziej nieuchwytnych i potężnych promieni kosmicznych.)

Detektory w Utah są wykonane z superprzejrzystego akrylowego plastiku i umieszczone w jednostkach, które wyglądają jak łóżka szpitalne.

Jeśli wiele detektorów zarejestruje uderzenie w sekwencji (pomyśl o cząstkach uderzających o ziemię mniej więcej w tym samym czasie, jak śrut na tarczy), „można zrekonstruować kierunek”, z którego nadleciały, mówi Jui, fizyk z Uniwersytetu w Utah, który pracuje nad układem.

Obserwatorium może również zrobić coś fajnego. W bardzo jasne, ciemne noce na pustyni w Utah, może faktycznie zobaczyć słabe ślady promieni kosmicznych świecących w naszej atmosferze.

„Pomysł polega na tym, że można zobaczyć prysznic powietrzny rozwijający się w atmosferze za pomocą kamer ultrafioletowych” – mówi Jui. „Są to kamery, które nagrywają filmy w ciągu kilku mikrosekund, dziesięć klatek na mikrosekundę, a następnie można faktycznie zobaczyć wydłużoną linię na niebie i zmierzyć energię z niej pochodzącą.”

Możesz pomóc w poszukiwaniu promieni kosmicznych

Dając wystarczająco dużo danych na temat tych wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia będą mogli lepiej określić skąd pochodzą.

Problem polega na tym, że w tej chwili nie mają oni wystarczającej ilości obserwacji najpotężniejszych promieni kosmicznych.

Trzeba będzie trochę czasu, ponieważ najpotężniejsze promienie kosmiczne nie przechodzą przez detektory zbyt często: Każdy kilometr kwadratowy Ziemi widzi tylko około jednej takiej cząstki na stulecie. A żeby uwzględnić fakt, że te promienie nie podróżują często w linii prostej, potrzeba będzie góry danych.

Ale już teraz mamy pewne wskazówki. Obserwatorium Pierre Auger posiada pewne (jeszcze nie rozstrzygające) dane, że niektóre z tych wysokoenergetycznych cząstek pochodzą z galaktyk gwiezdnych, czyli galaktyk, które tworzą gwiazdy w bardzo szybkim tempie. Grupa Jui’a doszła do wniosku, że około jedna czwarta najpotężniejszych zaobserwowanych promieni kosmicznych pochodzi z okręgu o wielkości około 6 procent nocnego nieba, w pobliżu gwiazdozbioru Wielkiego Chrapacza. Ale to ogromny obszar przestrzeni, a w regionie nie ma żadnej oczywistej broni dymnej.

Więcej wskazówek wciąż napływa. Ostatniego lata naukowcy z obserwatorium IceCube opublikowali ekscytujące dowody na to, że galaktyki zwane blazarami generują niektóre z tych wysokoenergetycznych cząstek. Blazary mają w swoich centrach supermasywne czarne dziury, które rozrywają materię na części składowe, a następnie wystrzeliwują cząstki subatomowe niczym działo laserowe w przestrzeń kosmiczną.

Tutaj rysunek artysty, który jest bardzo, bardzo nie w skali, przedstawiający blazara strzelającego wiązką promieni kosmicznych w Ziemię.

Obecne wyniki nie mogą jeszcze wyjaśnić najpotężniejszych promieni kosmicznych wykrytych w historii. Wymagają też powtórzenia.

Istnieje też możliwość, że niektóre z tych promieni są wytwarzane przez siły i obiekty, o których obecnie nie wiemy – lub oddziałują z tajemniczymi rzeczami, takimi jak ciemna materia, w sposób, którego jeszcze nie rozumiemy. To mogą być kosmici, ale wątpię w to.

Naukowcy potrzebują więcej danych, więcej obserwacji, aby móc wskazać źródła na niebie, z których pochodzą te cząstki.

A wkrótce i Ty możesz wziąć udział w poszukiwaniach. Twój telefon może zostać zamieniony w detektor promieni kosmicznych. Daniel Whiteson jest fizykiem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, który pracuje nad projektem dotyczącym promieni kosmicznych, realizowanym na zasadzie crowd-sourcingu. Nazywa się on Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

„Liczba cząstek, które uderzają w atmosferę z szalonymi energiami, jest naprawdę duża. To są miliony” – mówi Whiteson. Ale obserwatoria takie jak Pierre Auger – choć ogromne – nie są wystarczająco duże, aby dostrzec większość z nich. „Gdybyśmy mogli zbudować wystarczająco duży teleskop obejmujący ogromne połacie ziemi, moglibyśmy zebrać wiele danych naprawdę szybko.”

Tam właśnie wkraczają smartfony. Aparat w telefonie działa, ponieważ fotony – cząstki subatomowe, które tworzą światło – aktywują czujnik znajdujący się z tyłu obiektywu. Promienie kosmiczne również mogą aktywować ten czujnik. (Raz na jakiś czas promień kosmiczny może zakłócić pracę mikroprocesora i spowodować awarię komputera.)

„Jeśli położysz aparat w telefonie twarzą w dół, większość światła zostanie zablokowana i otrzymasz czarny obraz” – wyjaśnia. „Ale cząstki z kosmosu, przejdą przez telefon, sufit lub ścianę i uderzą w aparat, i zostawią ślad.”

Mamy nadzieję, że miliony użytkowników mogą włączyć aplikację w nocy, kiedy śpią, a ona będzie szukać tych promieni kosmicznych. Whiteson ma nadzieję, że dzięki wystarczającej liczbie telefonów on i jego koledzy będą w stanie uzyskać lepszy obraz tego, skąd pochodzą promienie kosmiczne. Projekt jeszcze nie ruszył z miejsca. Ale już teraz możesz się zapisać, aby zostać beta testerem, gdy aplikacja będzie gotowa.

Fizycy nie zamierzają się poddawać w najbliższym czasie. Istnienie wysokoenergetycznych promieni kosmicznych mówi nam, że nasze rozumienie wszechświata jest żałośnie niekompletne.

„To jedne z najbardziej gwałtownych zjawisk” we wszechświecie, mówi Jui. Czy nie chcesz dowiedzieć się, co je powoduje?

Miliony ludzi zwracają się do Vox, aby zrozumieć, co dzieje się w wiadomościach. Nasza misja nigdy nie była tak istotna, jak w tej chwili: wzmocnić pozycję poprzez zrozumienie. Darowizny finansowe od naszych czytelników są krytyczną częścią wspierania naszej pracy wymagającej dużych zasobów i pomagają nam utrzymać nasze dziennikarstwo za darmo dla wszystkich. Pomóż nam utrzymać naszą pracę wolną dla wszystkich, dokonując wkładu finansowego już od 3 dolarów.

Zobacz wszystkie historie w The Highlight