Για περισσότερα από 100 χρόνια, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν τις κοσμικές ακτίνες, τα απίστευτα ισχυρά σωματίδια που ταξιδεύουν σε όλο το σύμπαν σε ακραίες ενέργειες. Παρά τις δεκαετίες έρευνας, πολλά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα σχετικά με το από πού προέρχονται και πώς επιταχύνονται. Τώρα, ερευνητές που εργάζονται με το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) ανακάλυψαν μια σημαντική νέα ένδειξη. Τα ευρήματά τους, δημοσιεύθηκαν η φύσηΑυτό αποκαλύπτει ένα κοινό χαρακτηριστικό που μοιράζονται αυτά τα μυστηριώδη σωματίδια και μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την προέλευσή τους
Οι κοσμικές ακτίνες είναι τα υψηλότερα ενεργειακά σωματίδια που παρατηρούνται στη φύση. Μεταφέρουν πολύ περισσότερη ενέργεια από τα σωματίδια που παράγονται από τους πιο προηγμένους επιταχυντές στη Γη. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι δημιουργούνται από μερικά από τα πιο βίαια γεγονότα στο σύμπαν, όπως εκρήξεις σουπερνόβα, πίδακες από μαύρες τρύπες και πάλσαρ.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο DAMPE, που εκτοξεύτηκε τον Δεκέμβριο του 2015, σχεδιάστηκε για να διερευνήσει τη φύση των κοσμικών ακτίνων και να διερευνήσει πιθανές συνδέσεις με τη σκοτεινή ύλη. Η αποστολή έχει σημαντική συμβολή από την Ομάδα Αστροφυσικής του Τμήματος Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (DPNC) του Πανεπιστημίου της Γενεύης (UNIGE).
Εξετάζοντας τα εξαιρετικά ακριβή δεδομένα που συνέλεξε το DAMPE, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα παγκόσμιο μοτίβο στο ενεργειακό φάσμα των πυρήνων των πρώιμων κοσμικών ακτίνων, από τα ελαφρύτερα πρωτόνια έως τους πολύ βαρύτερους πυρήνες σιδήρου.
«Οι κοσμικές ακτίνες αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια, αλλά και από ήλιο, άνθρακα, οξυγόνο και πυρήνες σιδήρου», εξηγεί ο Andriy Tikhonov, Αναπληρωτής Καθηγητής στο DPNC στη Σχολή Επιστημών του UNIGE και συν-συγγραφέας της μελέτης. ηλεκτρονιοβολτ? ενδιάμεσο, αρκετά δισεκατομμύρια έως αρκετές εκατοντάδες δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβολτ. και υψηλότερα, 1.000 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβολτ και πέρα».
Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν ένα κοινό μοτίβο κοσμικών ακτίνων
Η έρευνα έχει δείξει ότι για κάθε τύπο πυρήνα που μελετήθηκε, ο αριθμός των σωματιδίων αρχίζει να μειώνεται πολύ γρήγορα αφού φτάσει σε ένα συγκεκριμένο όριο. Οι επιστήμονες αναφέρονται σε αυτό το φαινόμενο ως «φασματική αποσκλήρυνση».
Γενικά, οι κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας γίνονται λιγότερο συχνές καθώς αυξάνεται η ενέργεια. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις DAMPE αποκάλυψαν ότι η κατάρρευση γίνεται δραματικά μεγαλύτερη πέρα από την ακαμψία των περίπου 15 Tv (τεραηλεκτρον-βολτ). Η ακαμψία περιγράφει πόσο ισχυρά αντιστέκεται η διαδρομή ενός σωματιδίου στην κάμψη από ένα μαγνητικό πεδίο.
Επειδή αυτό το ίδιο χαρακτηριστικό εμφανίζεται σε μια μεγάλη ποικιλία σωματιδίων, τα αποτελέσματα υποστηρίζουν σθεναρά τις θεωρίες που υποδηλώνουν ότι η επιτάχυνση και η κίνηση των κοσμικών ακτίνων στο διάστημα διέπεται από ακαμψία. Ταυτόχρονα, τα δεδομένα αποκλείουν σε μεγάλο βαθμό ανταγωνιστικές εξηγήσεις που βασίζονται στην ενέργεια ανά νουκλεόνιο (η ενέργεια διαιρούμενη με τον αριθμό των νουκλεονίων στο σωματίδιο). Σύμφωνα με τους ερευνητές, το επίπεδο εμπιστοσύνης έναντι αυτών των εναλλακτικών μοντέλων έφτασε το 99,999%.
Η τεχνητή νοημοσύνη και οι προηγμένοι ανιχνευτές βοηθούν στην ανακάλυψη
Ερευνητές από τη Γενεύη διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο στην πρόοδο. Η ομάδα ανέπτυξε εξελιγμένες μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για την ανασύσταση σωματιδιακών γεγονότων που ανιχνεύθηκαν από το τηλεσκόπιο. Συνέβαλαν επίσης σε σημαντικές μετρήσεις που αφορούσαν ροές πρωτονίων και ηλίου και βοήθησαν στην ανάλυση των δεδομένων του πυρήνα του άνθρακα.
Επιπλέον, ο όμιλος της Γενεύης ηγήθηκε της ανάπτυξης ενός από τα βασικά όργανα της DAMPE, του Silicon-Tungsten Tracker (STK). Αυτοί οι ανιχνευτές είναι απαραίτητοι για τον ακριβή εντοπισμό των μονοπατιών των σωματιδίων και τον προσδιορισμό του ηλεκτρικού φορτίου των εισερχόμενων κοσμικών ακτίνων.
Οι ανακαλύψεις σηματοδοτούν μια σημαντική πρόοδο στην κατανόηση του πώς σχηματίζονται οι κοσμικές ακτίνες και πώς ταξιδεύουν μέσα στους γαλαξίες. Οι επιστήμονες λένε ότι τα νέα ευρήματα θέτουν αυστηρούς περιορισμούς στα υπάρχοντα μοντέλα επιτάχυνσης σωματιδίων σε αστροφυσικές πηγές και βελτιώνουν την κατανόησή μας για το πώς τα σωματίδια υψηλής ενέργειας κινούνται μέσω του διαστρικού χώρου.
