A világűrből a földi légkörbe érkező ionizáló kozmikus sugárzás forrását régóta keresik a csillagászok és a fizikusok. Két kutató most azt állítja, hogy a sugárzás ultranagy energiájú részecskéi nagyrészt (vagy egészében) az M87 aktív galaxis magjából érkeznek, s a kozmikus sugárzás mérésére kiépített, már működő detektorhálózatokkal ez kísérletileg is kimutatható.

A világűrből a földi légkörbe érkező kozmikus sugárzás nagy energiájú, csaknem fénysebességgel száguldó részecskékből - túlnyomórészt protonokból (87%), kisebb részben alfarészecskékből (12%) és nehezebb atommagokból (1%) - áll. Részecskéinek energiája 106 eV-tól 1020 eV-ig terjed - az utóbbi mintegy százmilliószorosa annak, ami a leghatalmasabb részecskegyorsítókkal elérhető. Ezek az eredmények a kiterjedt kozmikus záporok adatainak az elemzéséből adódnak. A záporokat olyan nagy energiájú másodlagos részecskék (nagyrészt pionok, müonok, elektronok, neutrínók és fotonok) alkotják, amelyek a légkörbe érkező elsődleges kozmikus részecske hatására egy gyors kaszkádfolyamatban gyakorlatilag egyidejűleg keletkeznek, s kellően nagy energia esetén a Föld felszínéig is lejuthatnak.



A kozmikus sugárzás elsődleges részecskéje kozmikus részecskezáport kelt

Kisebb és közepes energiájú elsődleges részecskék számtalan forrásból származhatnak, az azonban már végképp rejtély, honnan érkeznek a kozmikus sugárzás ultranagy (1019 eV-nál nagyobb) energiájú részecskéi. Közvetlen kozmikus környezetünkben nem ismerünk olyan objektumot és mechanizmust, amely létrehozhatná őket, túl messziről viszont szintén nem érkezhetnek, hiszen az elektromosan töltött részecskék a fékezési sugárzás miatt folyamatosan veszítenek energiájukból. Ebből már korábban kiszámították, hogy a forrás(ok)nak egy 150 millió fényévnyi sugarú gömbön belül kell lenni(ük). De hogy pontosan milyen irányban keressük, nem állapítható meg egyértelműen, hiszen a Földre mindenféle irányból érkeznek, s ez eleve több forrást sejtet. Ráadásul a Tejútrendszert át meg átszövő mágneses terek az elektromosan töltött részecskéket sokszorosan eltérítik.

Ezt a hatást azonban eddig alaposan alábecsülték. A kutatók ugyanis azt feltételezték, hogy ezek a terek olyan gyengék (nG nagyságrendűek), hogy a kozmikus sugárzás ultranagy energiájú részecskéi gyakorlatilag irányváltozás nélkül haladnak át rajtuk. Glennys Farrar a New Yorki Egyetem és Tsvi Piran a jeruzsálemi Hebrew Egyetem kutatói most némileg megdöbbenve fedezték fel, hogy ez a becslés mennyire megalapozatlan.

Mivel a mágneses terek és az elektromosan töltött részecskék a fény polarizációját a frekvenciától függő mértékben forgatják el, az extragalaktikus mágneses terek erősségének régebbi becslése a távoli kvazárokból érkező fény polarizációjának mért elfordulásán alapult. Ez önmagában helytálló, de hozzá olyan Világegyetem-modellt társítottak, amely már igencsak elavult. Ugyanis már régóta tudjuk, hogy a Világegyetemben az anyag eloszlása nem egyenletes, hanem inkább a lyukacsos ementáli sajthoz hasonló: óriási galaxishalmazok és hatalmas üregek váltogatják benne egymást. Az is régóta ismeretes, hogy a látható anyag legfeljebb 10 százalékát teszi ki a Világegyetem teljes tömegének. "Teljesen elképedtünk, amikor kiderült, hogy ez a régóta, széles körben elfogadott becslés mennyire gyenge lábakon áll - mondta Farrar. A két kutató az újabb adatok figyelembevételével újraszámította az extragalaktikus mágneses terek erősségét: becslésük szerint ez a korábbinál nagyságrendekkel nagyobb - valószínűleg néhány tized mikroG - lehet, legalábbis a mi szuper-galaxishalmazunkon belül. Ilyen erősségű mágneses terek azonban már az ultranagy energiájú részecskéket is számottevő mértékben eltérítik, így nem várható, hogy a részecskék beérkezésének iránya egyértelműen a lehetséges forrás(ok) irányába mutasson.

Az eredmény egy másik fontos következménye, hogy csaknem egyharmadára csökkenti annak a képzeletbeli gömbnek a sugarát, amelyen belül ilyen források lehetnek. Ennek alapján átvizsgálva az égboltot a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy az ultranagy energiájú kozmikus sugárzás részecskéinek legvalószínűbb forrása az M87 aktív galaxis magja lehet.

A tőlünk mintegy 50 millió fényévre levő, a Virgo galaxishalmazhoz tartozó M87 az egyik legközelebbi anyagsugarat is kibocsátó rádiógalaxis. Számos megfigyelés alapján feltételezik, hogy benne egy szupernehéz (mintegy 3 milliárd naptömegű) fekete lyuk rejtőzik.



Az M87 galaxis rádióképe

Ha a kozmikus sugárzás ultranagy energiájú részecskéinek (vagy nagyobb hányaduknak) a forrása valóban az M87, akkor Farrar és Piran szerint a részecskék eloszlásában egy aszimmetriának kell mutatkozni: az égbolt M87 felé eső félgömbjének irányából észrevehetően több részecskének kell érkeznie, mint az ellentétes irányból. Ilyen ultranagy energiájú esemény azonban eddig csupán maroknyi ismert, egy statisztikai elemzéshez ennél jócskán több kellene. A kutatók az Auger-program mintegy 3000 négyzetkilométert lefedő mérőhálózatától várják, hogy a kozmikus sugárzás ultranagy energiájú elsődleges részecskéinek eloszlására használható statisztikát kapjanak. Ez a kozmikus sugárzást megfigyelő észak- és dél-amerikai (USA, Utah állam, illetőleg Argentína) rendszereket egyesíti, s méréseiből az elsődleges részecskék energiája mintegy 20 százalékos, iránya pedig körülbelül 1 fokos pontossággal határozható meg.

(Élet és Tudomány)

Ajánló:

Képzelj el egy atomnál is kisebb részecskét, amely egy jól eltalált baseball labda erejével csapódik be. Képzeld el, hogy egy futballpálya nagyságú területen mindössze 30 évente történik ilyen becsapódás. És most képzeld azt, hogy tudós vagy, és szeretnél képet alkotni az ilyen típusú jelenségekről.

Korábban:

Első ízben sikerült rádiócsillagászati módszerekkel egy távoli galaxis (M87) szívében levő fekete lyuk környezetét olyan pontossággal megvizsgálni, hogy a kutatók képet alkothassanak az ott végbemenő folyamatokról.