Kozmičke zrake najviših energija dolaze izvan naše galaksije?

Tekst je u originalu objavljen za portal Bug.hr.

Interes čovjeka za noćnim nebom postoji od kad je i civilizacije, pa tako i najstarija prirodna znanost, astronomija, vuče svoje korijene par tisuća godina prije naše ere kad je svećenstvo na vrhovima hramova drevnih civilizacija Mezopotamije i Egipta proučavalo noćno nebo vrijedno bilježeći svaku pojavu na njem. Treba razumjeti da je svrha takvih pothvata bila isprepletena između tumačenja volje bogova i proricanja budućnosti, sastavljanja kalendara kako bi se što bolje organiziralo društvo, ali i iskonske radoznalosti koje tajne skriva nebo. Razvoj astronomije značio je i razvoj metoda, a to je ponajprije bila geometrija i aritmetika, tek onda instrumentarija. Tadašnje znanje o nebu baziralo se na tome da postoje zvijezde stajačice koje su dio nepromjenjive nebeske sfere i sedam zvijezda lutalica (grč. planetes) iliti kako danas zovemo sedam klasičnih planeta antike: Sunce, Mjesec, Merkur, Venera, Mars, Jupiter i Saturn. Tih sedam veličanstvenih imali su centralnu ulogu u mitologijama diljem svijeta, a danas tim vjerovanjima dugujemo i što imamo sedam dana u tjednu. U nekim jezicima čak su i imena tih dana zadržala nazive pripadajućih planeta, npr. francuski: lundi (Mjesec), mardi (Mars), mercredi (Merkur), jeudi (Jupiter), vendredi (Venera) ili engleski: Sunday (Sunce), Saturday (Saturn).

Trenutak kad je Galileo Galilei uperio teleskop u nebo može se označiti kao početak razvoja moderne astronomije. Tako već sam Galileo otkriva četiri najveća Jupiterova satelita, Saturnove prstenove i Venerine faze. Od Galileovog doba pa do danas razvoj instrumenata za proučavanje neba i pridruženih metoda doživio je procvat tako da sada ne samo da se grade teleskopi veličine egipatskih piramida u Gizi (npr. ESO-in Extremely Large Telescope koji se gradi u Čileu), nego se i elektromagnetski spektar u kojem se proučava svemir proširio, s vidljive svjetlosti na radio, infracrveno, rendgensko pa čak i gama područje. Ti teleskopi više nisu isključivo vezani ni za Zemljinu površinu nego su lansirani i u orbitu kako bi zaobišli atmosferske prepreke (npr. popularan Hubble Space Telescope).

Kako raste moć opažanja svemira, tako se i saznanja o svemirskim procesima i objektima povećava, međutim svako toliko s novim opažanjima iskoči i neka nova nepoznanica da zakomplicira naše dosadašnje razumijevanje. Za uvid u te nove zagonetke čini se da nisu dovoljni samo ovakvi teleskopi, a naša mogućnost da fizički "skoknemo" do interesantnih područja uvelike je obeshrabrujuća. Eto, Voyager 1 je tek malo zavirio u svemir izvan Sunčevog sustava, a putuje već 40 godina. Ta letjelica još uvijek šalje vrijedne podatke pa je tako nedavno otkriveno da je priroda magnetskih polja u galaktičkom prostoru izvan domašaja sunčeve heliosfere neočekivana s obzirom na ono što je bilo modelirano. Očekuje se će radioaktivno napajanje letjelice funkcionirati barem do 2025. godine tako da Voyager još nije zreo za mirovinu. Ipak, pored Voyagera i elektromagnetskog spektra, zadnjih godina astronomija dobiva i nova "osjetila." Tako da se svemir već opaža kozmičkim zrakama (npr. Pierre Auger Opservatory u Argentini i Telescope Array u SAD-u), neutrinima (IceCube na južnom polu), a od pretprošle godine i gravitacijskim valovima.

Neposredno opažanje gravitacijskih valova došlo je na astronomsku scenu u velikom stilu jer gravitacijski valovi lako prelaze kojekakve prepreke na svom putu i uzak je krug znanih fenomena koji ih može proizvesti. Paralelno, astronomija kozmičkih zraka i neutrina tek pokušavaju uspostaviti, premda takvi pristupi imaju dužu tradiciju nego gravitacijski valovi: kozmičke zrake znane su još od početka prošlog stoljeća, a neutrini vanzemaljskog podrijetla od kraja 80-ih godina kad je detektirano desetak neutrina koji koreliraju s eksplozijom supernovae 1987A. Osnovni su problemi ti što kozmičke zrake prvo međudjeluju s tvari i fotonima na svom putu mijenjajući svoj sastav i tako proizvodeći između ostaloga i neutrine, a drugo što ih zakreću razna magnetska polja koja su sveprisutna u svemiru. Neutrini slabo međudjeluju s ičime i neutralni su pa time putuju pravocrtno što je za astronomiju prednost, ali je nedostatak što ih je izuzetno teško detektirati. Pored toga, kako nastaju i iz kozmičkih zraka, što u atmosferi, a što pri putovanju kozmičkih zraka kroz svemir, teško je odrediti koji originalno dolaze iz nekog astrofizičkog izvora. Time se kozmičke zrake i neutrini još uvijek nisu etablirali kao regularna astronomska metoda za proučavanje udaljenih objekata. Štoviše dosadašnje detekcije smjerova i neutrina i kozmičkih zraka nisu davale nikakve korelacije s poznatom distribucijom tvari u svemiru koja bi mogla biti njihov izvor već se čini kao da dolaze iz nasumičnih smjerova. Tek njihova učestalost i priroda energetskog spektra mogu naslutiti i dati neke okvire o kakvim se astrofizikalnim procesima može raditi.

Tako je bilo službeno sve do danas. Objavljeni važan članak u Scienceu (preprint) od znanstvene kolaboracije Pierre Auger o čijem sam najvećem opservatoriju kozmičkih zraka već pisao ovdje donosi prvi put statistički značajan pronalazak anizotropije u dolaznim smjerovima kozmičkih zraka vrlo visokih energija na uzorku većem od 30.000 čestica koje je opservatorij detektirao u zadnjih više od 10 godina svoga rada, od početka 2004. godine.

Konkretno je detektiran tzv. dipol na energijama iznad 8*1018 elektronvolti, odnosno u prosjeku 2 džula po čestici što je milijun puta više nego što se čestice ubrzavaju trenutno u Velikom hadronskom sudarivaču (LHC). Dipol znači da je uočeno da više kozmičkih zraka dolazi s jedne strane nego s druge strane opažanog svemira, i to okvirno sa 6 posto razlike. Ono što je još interesantno što smjer tog dipola, odnosno od kuda dolazi više kozmičkih zraka, ne pokazuje u središte galaksije već negdje sasvim izvan nje - 120 stupnjeva od galaktičkog centra. Glavna implikacija tog rezultata je što čisto galaktički modeli izvora tih kozmičkih zraka postaju vrlo nevjerojatni. Prvo, predloženi modeli galaktičkih izvora kozmičkih zraka vrlo visokih energija predviđaju postojanje jačeg dipola od tih detektiranih 6%. Drugo, aktualni modeli galaktičkih polja zajedno s prosječno detektiranim sastavom tih zraka (od jezgara helija pa sve do jezgara dušika) ukazuju da nije moguće dipol zakrenuti iz smjera centra galaksije do smjera gdje je detektiran. To bi bilo moguće eventualno ako su magnetska polja u našoj galaksiji puno snažnija od očekivanih ili naboj kozmičkih zraka na tim energijama puno veći (bliži željezu), a šansu za to drugi rezultati i analize uvelike umanjuju. Time se s velikom sigurnošću može reći da najenergetskije čestice za koje znamo vjerojatno dolaze iz nekog drugog, udaljenijeg dijela svemira, van naše galaksije.

Istraživanje kozmičkih zraka ovime ne staje. Opservatorij Pierre Auger u narednih par godina (do 2025. godine) planira se nadograditi novim detektorima kako bi bolje određivao sastav pojedinačnih kozmičkih zraka koje ulijeću u atmosferu, a time će se smanjiti i neodređenost u njihovom zakretanju u magnetskih poljima, odnosno smjeru njihova dolazaka i bolje moći naslutiti o kakvim se izvorima radi. To bi bio idući korak prema uspostavljanju nove grane astronomije - astronomije kozmičkih zraka. Zajedno s najavljenim izgradnjama novih neutrinskih opservatorija (npr. KM3NeT u Mediteranu) i novih detektora gravitacijskih valova mogućnosti opažanja dalekog svemira time će se proširiti kako bi našli što više odgovora na vječito pitanje "Što je tamo gore?"