Σύνοψη
Εντοπίστηκε ένα καθολικό μοτίβο «φασματικής εξασθένησης» στα σωματίδια των κοσμικών ακτίνων πέρα από το όριο των 15 TV. Οι μετρήσεις προέρχονται από το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), το οποίο αναλύει σωματίδια στο διάστημα από το 2015. Το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE) ανέπτυξε προηγμένες τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης για την ανακατασκευή των τροχιών των σωματιδίων και σχεδίασε το σύστημα Silicon-Tungsten Tracker (STK). Τα νέα ευρήματα επιβεβαιώνουν ότι η επιτάχυνση των κοσμικών ακτίνων εξαρτάται από την ακαμψία των σωματιδίων, αποκλείοντας παλαιότερα μοντέλα «ενέργειας ανά νουκλεόνιο» με βεβαιότητα 99.999%.
Εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα, τα σωματίδια ακραίας ενέργειας που διασχίζουν το Σύμπαν, γνωστά ως κοσμικές ακτίνες, αποτελούν αντικείμενο εντατικής έρευνας για την αστροφυσική κοινότητα. Παρά τις συνεχείς μελέτες, η ακριβής προέλευσή τους και ο μηχανισμός επιτάχυνσής τους παρέμεναν εξαιρετικά δυσνόητα. Σήμερα, η ανάλυση υψηλής ακρίβειας από το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) φέρνει στο φως ένα καθολικό χαρακτηριστικό στην ενεργειακή συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων.
Η σχετική μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature, προσφέρει σταθερά δεδομένα που αλλάζουν την κατανόηση μας για την αστροσωματιδιακή φυσική.
Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια, αλλά περιλαμβάνουν και βαρύτερους πυρήνες, όπως ήλιο, άνθρακα, οξυγόνο και σίδηρο. Μεταφέρουν ασύγκριτα μεγαλύτερη ενέργεια από οποιοδήποτε σωματίδιο μπορεί να παραχθεί στους ισχυρότερους επίγειους επιταχυντές. Η παραγωγή τους σχετίζεται με ακραία αστροφυσικά φαινόμενα, όπως οι εκρήξεις σουπερνόβα, οι πίδακες ύλης από μαύρες τρύπες και τα πάλσαρ.
Το τηλεσκόπιο DAMPE ανίχνευσε ότι, ανεξαρτήτως της μάζας του πυρήνα, ο αριθμός των σωματιδίων μειώνεται δραματικά μόλις αυτά υπερβούν το συγκεκριμένο όριο ακαμψίας των 15 TV (teraelectron-volts). Η ανακάλυψη αυτής της “φασματικής εξασθένησης” αποδεικνύει ότι η κίνηση και η επιτάχυνση των κοσμικών ακτίνων στον γαλαξία ελέγχονται άμεσα από την ακαμψία τους και τη μαγνητική αντίσταση, απορρίπτοντας παλαιότερες υποθέσεις.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE εκτοξεύτηκε τον Δεκέμβριο του 2015 με διπλό στόχο: τη διερεύνηση της φύσης των κοσμικών ακτίνων και την αναζήτηση ιχνών Σκοτεινής Ύλης. Η διεθνής επιστημονική αποστολή περιλαμβάνει καθοριστική συμμετοχή από την ομάδα αστροφυσικής του Τμήματος Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (DPNC) του Πανεπιστημίου της Γενεύης (UNIGE).
Οι βασικές κατηγορίες ενέργειας των κοσμικών ακτίνων διαχωρίζονται ως εξής:
Χαμηλή Ενέργεια: Έως μερικά δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Ενδιάμεση Ενέργεια: Από μερικά δισεκατομμύρια έως εκατοντάδες δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Υψηλή Ενέργεια: Από 1.000 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (1 TeV) και άνω.
Εξετάζοντας τα δεδομένα του τηλεσκοπίου, οι ερευνητές αναγνώρισαν ένα απολύτως κοινό μοτίβο στα ενεργειακά φάσματα των πρωτογενών πυρήνων, ξεκινώντας από τα ελαφρά πρωτόνια και φτάνοντας μέχρι τους βαρείς πυρήνες σιδήρου.
Το σημαντικότερο εύρημα της μελέτης είναι το φαινόμενο που οι επιστήμονες ονομάζουν «φασματική εξασθένηση». Κανονικά, η συχνότητα ανίχνευσης των κοσμικών ακτίνων μειώνεται φυσιολογικά όσο αυξάνεται η ενέργεια τους. Τα ευρήματα, όμως, δείχνουν ότι για όλους τους πυρήνες που μελετήθηκαν, η πτώση του αριθμού των σωματιδίων γίνεται εντυπωσιακά πιο απότομη μετά από ένα συγκεκριμένο σημείο.
Το σημείο αυτό εντοπίζεται σε μια ακαμψία περίπου 15 TV. Στη σωματιδιακή φυσική, η ακαμψία ορίζεται ως το μέτρο της αντίστασης που προβάλλει η τροχιά ενός σωματιδίου όταν αυτό διέρχεται μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο. Το γεγονός ότι αυτή η απότομη εξασθένηση παρατηρείται σε πολλαπλούς, διαφορετικούς τύπους σωματιδίων ακριβώς στο ίδιο επίπεδο ακαμψίας, παρέχει αδιάσειστα στοιχεία.
Η παρατήρηση υποστηρίζει εμφατικά τα θεωρητικά μοντέλα που αναφέρουν ότι η επιτάχυνση και η μεταφορά των κοσμικών ακτίνων στο Διάστημα καθορίζονται αποκλειστικά από την ακαμψία των σωματιδίων. Παράλληλα, τα νέα δεδομένα ακυρώνουν προηγούμενες εναλλακτικές θεωρίες που βασίζονταν στην έννοια της ενέργειας ανά νουκλεόνιο (δηλαδή την ενέργεια διαιρεμένη με τον αριθμό των νουκλεονίων στο σωματίδιο). Οι ερευνητές επιβεβαιώνουν ότι το επίπεδο εμπιστοσύνης για την απόρριψη αυτών των εναλλακτικών μοντέλων αγγίζει το εντυπωσιακό 99.999%.
Η ελβετική ερευνητική ομάδα του UNIGE υπήρξε κεντρικός πυλώνας για τη συγκεκριμένη τεχνολογική επιτυχία. Η ομάδα αξιοποίησε σύγχρονες τεχνικές και αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης (AI) για να ανακατασκευάσει εικονικά τα σωματιδιακά γεγονότα που καταγράφηκαν από το τηλεσκόπιο. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε την εξαγωγή εξαιρετικά ακριβών μετρήσεων στις ροές πρωτονίων, ηλίου και άνθρακα.
Επιπρόσθετα, το Πανεπιστήμιο της Γενεύης ηγήθηκε της ανάπτυξης ενός από τα σημαντικότερα υποσυστήματα του DAMPE, τον ανιχνευτή Silicon-Tungsten Tracker (STK). Πρόκειται για ένα εξειδικευμένο όργανο το οποίο επιτρέπει τον ακριβή σχεδιασμό των τροχιών των εισερχόμενων σωματιδίων και τη μέτρηση του ηλεκτρικού τους φορτίου. Χωρίς την κατασκευαστική ακρίβεια του STK, η κατηγοριοποίηση των κοσμικών ακτίνων ανάλογα με τη μάζα και την ενέργειά τους δεν θα ήταν εφικτή.
Οι μετρήσεις του DAMPE καθορίζουν πλέον αυστηρότερα πλαίσια και πειραματικούς περιορισμούς στα θεωρητικά μοντέλα αστροφυσικής. Αυτή η εξέλιξη παρέχει τα απαραίτητα δεδομένα για την καλύτερη περιγραφή της δυναμικής του διαστρικού μέσου, αποσαφηνίζοντας το πώς τα σωματίδια ακραίων ενεργειών παράγονται και μεταναστεύουν μέσα στον γαλαξία μας.