Csillagvizsgáló

Részecskék a galaxison túlról

2017. október 03. - PFreddy

Földünket nem csak a teljes elektromágnes spektrumból érkező fotonok és a porszemcséktől a méteres szikláig terjedő meteorok bombázzák nap mint nap, hanem a világűr vákuumát elképesztő sebességgel átszelő részecskék is. Ezek többségének elsődleges forrása csillagunk, a Nap, ahogy azonban az egyre nagyobb energiájú részecskék eredetét vizsgáljuk, egyre extrémebb gyorsító mechanizmusokat és ezzel párhuzamosan egyre távolabbi objektumokat kell keresnünk. De vajon mi gyorsíthat fel egy elemi protont annyira, hogy energiája egy jól megütött teniszlabda mozgási energiájához ér fel? A világ legnagyobb mérőberendezése most ha csak kis lépéssel is, de közelebb hozott minket a részecskefizika fél évszázados rejtélyének megoldásához.

airshower.jpg

A 20. század elején egy igen komoly gyakorlati kérdés merült fel a kísérleti fizikában: mi okozza a levegő elektromos vezetőképességét? Mivel maguk levegő molekulái normál körülmények között nem bírnak töltéssel, ezért adódott, hogy ’’külső’’ behatás a felelős, amely nyilván érkezhet a felszín alól (az elterjedt vélekedés a földkéreg radioaktív izotópjaival magyarázta a jelenséget) vagy az atmoszférán túlról. A vitát Victor Hess méréssorozata döntötte el, aki 1910 és 12 között több alkalommal is ballonos repülés közben mérte meg a levegő vezetőképességét. Eredményei alapján a rejtélyes sugárzás felfelé egyre csak erősödött (öt kilométeres magasságban már a felszíni erősség kétszeresét érte el); az ionizáló hatás tehát az űrből származott. Hess 1936-ban megosztva kapta meg a fizikai Nobel-díjat a tudomány által csak ’’kozmikus sugárzás’’-nak nevezett jelenség felfedezéséért. Igaz, ekkorra már nyilvánvaló volt, hogy valójában nem elektromágneses sugárzásról, hanem űrből érkező részecskékről van szó, de az eredeti elnevezés mégis megmaradt (a szokás nagy úr).

07hess-superjumbo.jpgVictor Hess (a kosárban, középen) a ballonjával 1911-ben. 

Ezek az ún. primer részecskék zömében atommagok, legnagyobb mennyiségben pedig a hidrogén atommagja, a proton képviselteti magát. A pozitív töltéssel rendelkező atommagok, amikor a magas légköri molekulákkal ütköznek, ’’szétrobbantják’’ azokat kisebb, szintén töltéssel rendelkező részecskékre (pl. foton, elektron müon), amelyek öröklik a kozmikus részecske nagy mozgási energiájának egy részét is (mint amikor a billiárdasztalon kezdésnél a fehér golyó szétlöki a színeseket). Ezek aztán a felszín felé haladva (hiszen a primer részecske is ebbe az irányba tartott) újabb ütközésekben vesznek részt és maguk is újabb részecskék milliárdjait keltik – ezt a jelenséget nevezik légköri részecske-kaszkádnak vagy -zápornak (lásd nyitókép). Logikus, hogy minél több és nagyobb energiájú kozmikus sugárzás éri a légkört, annál jelentősebb és nagyobb területű részecske-zápor keletkezik. Mivel a nagy energiájú kozmikus részecskék ritkák (lásd lentebb) és nehezen tetten érhetőek, ezért jobb híján a felszínen mérhető hatásukat, vagyis az ütközések során keletkezett szekunder részecskék záporát igyekeznek detektálni. Az ő megfigyelésüknél egy másik probléma adódik: ahhoz, hogy következtetni lehessen az eredeti kozmikus sugár-részecske tulajdonságaira, az egész részecske-zápor felszíni ’’lábnyomát’’ kell tetten érni. Ami olykor meglehetősen nagy.

cosmic_rays.jpgEgy légköri részecske-zápor felépítése, benne elektronok, pozitronok, pionok, müonok és fotonok.

Ehhez kellett megépíteni az emberiség történetének legnagyobb területű mérőberendezését, a Pierre Auger Obszervatóriumot, amely 3000 km2-en terül el az argentin pampákon. Ezen területen, egymástól szabályosan 1,5 kilométerre találhatóak a részecske-záporok müonjainak detektálására kifejlesztett ún. Cherenkov-tartályok, belsejükben 12000 liter vízzel és fotoelektron-sokszorozó detektorokkal. Működésük lényege, hogy bár a vákuumbeli fénysebességet semmi sem lépheti át (by Einstein), más közegekben (jelen esetben a vízben) a részecskék (a müonok) meghaladhatják az közegbeli aktuális fénysebességet, ilyenkor pedig energiájukat elektromágneses sugárzással, kékes fényként adják le. Amikor több Cherenkov-tartály egyszerre jelez, az általuk detektált müonok nyilván ugyanabból a részecske-záporból származnak, eredetükért ugyanaz a kozmikus sugár a felelős. Az érintett terület (akár több tíz km2) méretéből pedig következtetni lehet a legfontosabb kérdéses információra, a kiváltó kozmikus sugárzás energiájára.

auger_array_1.pngBalra: a Pierre Auger Obszervatórium térképe, rajta a Cherenkov tartályok (piros) és a fluoreszcens teleszkópok (kék) pozíciója. Jobbra: a két fajta mérőeszköz egy képen. (Forrás: Pierre Auger Observatory)

A Cherenkov-detektorok adatait egészítik ki az éjszakai eget figyelő fluoreszcencia-teleszkópok. A töltött részecskék zápora gerjeszti a légköri nitrogén molekulákat, amelyek gyenge ultraibolya-fotonokat bocsájtanak ki. A több állomáson, légyszem-szerűen elhelyezett fluoreszcencia-teleszkópok együttese képes térben látni ezeket a minimális felvillanásokat, így meghatározható a légköri zápor fejlődése – egyben a beérkező primer kozmikus sugárzás fajtája és iránya is.

e125_2.pngA kétfajta detektortípus együttes használatával nyerhető információk: a beérkező részecske-zápor (piros vonal) lábnyomást jelzik a felszíni Cherenkov-detektorok (narancs pöttyök), a széleken lévő teleszkópok érzékelik a zápor beérkezési irányát, az információkból pedig megállapítható a zápor során keletkező részecskék száma (világos kék görbe). (Forrás: Pierre Auger Observatory)

A kozmikus sugárzás energiaeloszlása több, mint egy tucat energia-nagyságrendet ölel fel, az egyes tartományokban más és más a részecskék eredete, gyorsítási mechanizmusa, detektálási technikája és persze hatása is. Előbb viszont egy kis matek (és fizika): a részecskefizikában az energiát (így a mozgási energiát is) 'elektronvolt'-ban (eV) szokás megadni. Az 1 eV = 1,6 * 10-19 Joule, míg az 1 Joule = mondjuk egy alma fél méter magasra való felemeléséhez szükséges energia. Ez alapján mondjuk még 13 TeV (vagyis 13 * 1012 eV) sem tűnik óriásinak, de ha ugyanezt az energiát egy aprócska protonnal közöljük, aminek a tömege 1,67 * 10-27 kg, az bizony bődületes sok. A 13 TeV amúgy, ami a CERN hamarosan újra induló nagy részecskegyorsítójának csúcsenergiája, csak kispályás a kozmikus gyorsítók energiájához képest.

solar_wind_artist_impression.jpgA Napból érkező részecskék többségétől védelmez minket bolygónk mágneses mezeje, a nagyobb energiájú kozmikus sugarakat azonban már nem tudja eltéríteni.

A 1010 eV alatti energiájú kozmikus sugárzás nem is annyira kozmikus, forrása a Nap, amely napszél és napkitörések formájában lövelli ki a részecskéket a bolygóközi térbe, ezekből azonban átlagos esetben (a sarki fényeken kívül) nem érzékelünk sokat Földünk védelmező mágneses tere miatt (aztán vannak nem-átlagos esetek). 10 GeV felett már a Nap és a Föld mágneses terét is legyőzi a helioszférán kívülről, más csillagokból származó energikusabb kozmikus sugárzás, így ezek kerülnek többségbe a Föld környékén is. Az egyre nagyobb energiákat vizsgálva az tapasztalható, hogy a részecskék gyakorisága is egyenletesen csökken, ahogy az ilyenkor elvárható. Van azonban egy csavar, pontosabban egy törés az eloszlás menetében: 5 * 1015 eV-tól (avagy 5 PeV) a gyakoriság az addigi tendenciához képest kevésbé csökken. A 'térd'-nek nevezett határenergia arra utal, hogy felette már más gyorsítási mechanizmus a domináns – valószínűsíthetően a szupernóvákból származnak ezek a részecskék, melyek energiája már a CERN gyorsítójának maximális energiáját is meghaladja (értsd: az emberiség sem hozott még létra nagyobb energiájú részecskéket).

cosmicrayenergies1_1.jpgA kozmikus sugárzás energiaspektruma (piros vonal): a gyakoriság (fluxus, függőleges tengely) az energia függvényében (vízszintes tengely). Mellette a fluxus egyenletes csökkenés esetén (kék vonal). (Forrás: http://astronomy.swin.edu.au)

És ez még mindig nem a csúcs: 5 * 1018 eV-nál (az már öt Exa-eV!) az eloszlás megint változik, kissé ellaposodik – ez az ún. 'boka'. A felette lévő energiák már a királykategória, a fentebb bemutatott Pierre Augier Obszervatórium is elsősorban ezeknek az ultra-nagy energiájú kozmikus sugarak, avagy UHECR-ek kimutatására épült. Annyira ritkák, hogy közvetett detektálásuk sem hétköznapi esemény: a Föld felső légkörének egy négyzetkilométerét évente átlagosan egy ilyen részecske éri el (így már érthető, miért nem közvetlenül az űrben próbálják nyakon csípni őket). A kérdés mind a mai napig nyitott: mégis mi képes egy protont ilyen elképesztő energiára gyorsítani. Ötletek természetesen vannak; szuper-masszív fekete lyukak környezetében (mint amilyen a Tejútrendszer közepén is található), esetleg a rejtélyes GRB (gamma-ray burst; egy nagy robbanás... talán egy hipernóva?) robbanásokban elképzelhető ilyen gyorsítási mechanizmus, de a detektált UHECR-ekhez még egyetlen objektumhoz sem sikerült társítani.

black_hole_wide.jpgAktív galaxismag művészi ábrázolása. A belőle induló kilövellés (jet) az egyik lehetséges magyarázat az UHECR-ek eredetére.

Most azonban egy kis lépéssel is, de közelebb kerültünk az igazsághoz. A közelmúltban ugyanis a Pierre Auger Kollaboráció (400 kutató, 15 országból) nyilvánosságra hozta legújabb eredményeit, köztük a tíz éves fennállása óta detektált összes UHECR beérkezési irányát. Ebből kiderül, hogy a legnagyobb energiájú részecskék nem ugyanolyan gyakorisággal érkeznek az Univerzum minden szegletéből, hanem létezik egy kitüntetett irány. Az égbolt ezen, széles tartományából az átlagosnál kb. hat százalékkal több UHECR fut be hozzánk. Ez csekély különbségnek tűnhet, de a felhasznált 30.000 UHECR eseménynél statisztikailag egy az ötmillióhoz az esély, hogy véletlenszerűen alakult volna ki az egyik irányba ilyen mértékű többlet.

cosmicrays_anisotropy_600px.jpgAz ultra-nagy energiájú kozmikus sugarak irányainak anizotrópia térképe. A vörössel jelölt részekről több UHECR érkezik, a kék tartományból kevesebb. A körök és kereszt a pólus statisztikai helyét mutatják. A térképen a galaxis centruma középen, síkja pedig vízszintes vonalban lenne. (Forrás: Pierre Auger Collaboration et al. 2017, Science)

Bár a rendelkezésre álló térkép még meglehetősen elnagyolt és jelenleg még nem lehet egyetlen galaxis(halmaz)-hoz sem kötni az UHECR többletet, egy fontos információval még szolgál. A kozmikus sugárzás többlete ugyanis épp csak érinti a Tejútrendszer síkját, csúcsa és pólusa viszont azon kívül esik, ráadásul a centrumtól jó 120 fokra található. Ezzel eldőlt egy közel fél évszázados kérdés: a legnagyobb energiájú kozmikus sugarak extragalaktikus eredetűek - vagyis egy sok millió fényévre lévő egy objektumból érkeznek hozzánk ezek a kozmikus ''teniszlabdák''. Ez természetesen nem a történet vége, hiszen több megfigyelési adattal a fenti térkép és az elméleti modellek tesztelése is pontosabb lesz. A Pierre Auger Obszervatórium is folytatja a megfigyeléseket - a legnagyobb mérőműszer, ami a legnagyobb energiájú részecskékre vadászik.

cows2_1.jpgPillanatkép az argentin pampáról. Mindenki megfigyel valamit. (Forrás: Pierre Auger Observatory)

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr8312923303

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2017.10.03. 14:10:00

Ez tényleg izgalmas felfedezés, mert emlékeim szerint eddig a nem a Napból származó kozmikus részecskesugárzást izometrikusnak, azaz a tér minden irányából azonos gyakoriságúnak gondolták az addigi mérések szerint. Meg még valami olyasmi is rémlik, hogy kozmikus értelemben nem túl távolinak vélelmezték, de az okára, illetve magyarázatára már nem emlékszem. :-(

Jakab.gipsz 2017.10.03. 22:18:54

Kösz, remek összefoglaló.

Igen a nagy számok helyes értelmezése, jelentősen meghaladja a hétköznapi képzeletünket.

Jakab.gipsz 2017.10.04. 08:30:10

Ezek szerint a mérések szerint a tér nagy léptékben nem homogén és izotrop, ez óriási jelentőségű felfedezés.

szánmonoxid 2017.10.04. 10:35:47

Ezt az egyébként érdekes cikket milyen magyarul nem tudó balfasz fordította (ferdítette)?

pl.
Cherenkov-sugárzás a tankok vizében?
Mi vaaan???
Esetleg Cserenkov-sugárzás (cs-vel, baszd meg!) a TARTÁLYOK vizében? Vagy harckocsik vizéről van szó?

A pocsék magyarságról (mozgási energiájához ér fel - energiájáVAL) (maguk levegő molekulái normál körülmények között nem bírnak töltéssel - maguknak A levegő molekuláinak nincs töltésük) (Az ő megfigyelésüknél - részecske, mint ő?) és helyesírásról (részecske-záporból - részecskezáporból; kozmikus sugár-részecske - kozmikussugár-részecske) nem is szólva.

A magyar idézőjel ilyen: „idézőjel”.

PFreddy 2017.10.04. 10:58:05

@szánmonoxid: Nyugalom. Ha hibát találsz az írásban arra kulturáltan is felhívhatod a figyelmemet. Nem kell félned, nem fogok harapni.

A cikk nem fordítás. Az utolsó két bekezdésben lévő információk megjelentek számos angol nyelvű ismeretterjesztő oldalon, de ezeket az írásokat sem szó szerint vettem át.

A Cherenkov-sugárzás ch-val is megállja a helyét; akárcsak az általad felvetett megfogalmazások is (miért ne személyesíthetném meg kedvenc protonjaimat? :).
A kötőjel használata sajnos mindig is gyengém volt, ezért szíves elnézését kérem minden helyesírás mesternek (vagy helyesírás-mesternek?).

A tank szó használata valóban szerencsétlen, ezt rögvest orvosolni is fogom.

szánmonoxid 2017.10.04. 12:04:02

@PFreddy:
Helyesírásmesternek.
A Cserenkov magyar szövegben csak cs-vel állja meg a helyét, mert orosz volt a szerencsétlen, és vannak a magyarban a nem latin betűs nyelvekre vonatkozó átírási szabályok, az orosz meg nem latin betűs, mert Lenin bátyót megpuccsolták 1920-ban, amikor át akart térni.

Kötőjelezés: alapból elég, ha az ember 6-ig tud számolni.
2-nél több szóból álló összetétel akkor kötőjeles, ha 6-nál több szótag az alapszó (ragok nélkül).
2 szó esetén mindig egybe, kivéve a 3 mássalhangzó torlódása: sakk-kör stb.
6 szótag alatt általában szintén egybe, kivételek vannak, lásd pl. mozgószabályok (hidegvíz-csap), ó-ra végződő többtagú előtagok (sövénynyíró olló) stb.

Erősen fordításnak tűnt. Ha mégsem az, akkor bocs.

PFreddy 2017.10.04. 13:35:51

@szánmonoxid: Köszönöm az útmutatást, igyekszem odafigyelni ezekre a továbbiakban.

"Erősen fordításnak tűnt. Ha mégsem az, akkor bocs."
A blogon minden tartalom saját kútfőből származik (ezt nyomatékosítanák a sajátos megfogalmazások is), leszámítva természetesen a képeket és ábrákat.

"Helyesírásmesternek."
Na basszus. Kettőből semmi. :)

Beer Monster 2017.10.05. 08:59:43

@szánmonoxid: A hidegvíz-csapot miért kell máshogy írni?

Beer Monster 2017.10.05. 09:01:48

Az az állítás hogy az ultranagy energiájú mind egyetlen pontból származik??
Az ellenkező irányból hogyan jöhet, mi fordítja meg?

PFreddy 2017.10.05. 10:51:04

@Beer Monster: Nem egészen. Az állítás az, hogy ultranagy energiájú kozmikus sugarak jönnek minden irányból (tehát forrásoknak is kell lenni mindenfelé), de van egy domináns forrásuk a térkép által jelzett irányba. Mivel pontosan még nem tudni, miféle objektumok gyorsíthatják fel ezeket a részecskéket, ezért azt sem lehet megmondani hogy mitől válik uralkodóvá ez az adott objektum. Vagy objektumok.

Néhány napja jelent meg egy cikk, amely szerint erős korreláció van a távoli galaxishalmazok sűrűsödése és a kozmikus sugarak beérkezési iránya között (magyarán a fenti térkép vörös részein egyszerűen csak több távoli galaxis található sok százmillió fényévre). Egy másik fejtegetés szerint a sötét anyag egyik típusának bomlása (megsemmisülése?) kelthet ilyen extra nagy energiákat.