Skąd do nas przybywają? - KOSMICZNE PROMIENIE

Stanisław Mrówczyński

Rozpędzone maleńkie cząstki nieustannie bombardują Ziemię. W górnych warstwach atmosfery inicjują wielkie kaskady wtórnych cząstek, które niby rzęsisty deszcz spadają nam na głowy. Pochodzenie tych kosmicznych promieni pozostawało przez dziesięciolecia całkowitą zagadką. Ogłoszone niedawno wyniki misji satelity ASCA wiele wyjaśniają.

Jeszcze sto lat temu nie przypuszczano nawet, że jesteśmy wystawieni na ostrzał kosmicznych cząstek, choć doświadczenie, które na to wskazywało znane było od dawna. Szkolną naukę o elektryczności zaczyna się zwykle pokazem zjawiska elektryzowania się ciał. Pocieramy suknem ebonitową laskę i przykładamy ją do elektroskopu, który w najprostszej postaci zbudowany jest z dwóch paseczków metalowej folii zawieszonych tuż obok siebie. Gdy ładunek elektryczny spłynie z laski na owe paseczki, te odchylają się od siebie. Po pewnym czasie paseczki wracają do położenia wyjściowego, co zamyka się stwierdzeniem, że nastąpiło rozładowanie elektroskopu.   

Pytanie, dlaczego tak się dzieje, zajmowało fizyków przez długi czas. Aby elektroskop rozładował się, muszą doń dopłynąć ładunki przeciwnego znaku niż te, które są na nim zgromadzone. Ale otaczające przyrząd powietrze składa się z elektrycznie neutralnych atomów. Skąd więc te ładunki? - pytano. Dlaczego powietrze przewodzi prąd elektryczny? Przełom nastąpił wkrótce po odkryciu w 1895 roku promieni Roentgena, gdy zauważono, że przyspieszają one rozładowywanie się elektroskopu. Promienie te powodują mianowicie dysocjację atomów, czyli oderwanie ujemnie naładowanych elektronów od dodatnich jonów. Przepływ jednego rodzaju z tych ładunków powoduje właśnie rozładowanie elektroskopu. Przez analogię zasugerowano, że musi istnieć jakieś promieniowanie odpowiedzialne za elektryczne przewodnictwo gazów.   

Naturalnym było przypuszczać, że źródłem tego tajemniczego promieniowania jest materia nas otaczająca. Skoro tak, to powinno ono zanikać, gdy oddalamy się od Ziemi. Aby sprawdzić tę hipotezę, aparaturę pomiarową umieszczono na wieży Eiffela, później zaś w gondoli balonu. Żeglując w obłokach Wiktor Hess dokonał w roku 1912 zdumiewającej obserwacji - promieniowanie miast zanikać, nasila się wraz ze wzrostem wysokości. Doszedł więc do wniosku, że promienie dochodzą do nas z kosmosu. Odkrycie Hessa przyjęto z niedowierzaniem. Upłynęło ćwierć wieku nim komitet noblowski uznał je za dostatecznie wiarygodne, by uhonorować nagrodą.   

Promienie Roentgena mają naturę zbliżoną do światła - są kwantami pola elektromagnetycznego. Natomiast promienie kosmiczne okazały się strumieniami cząstek niosących ładunek elektryczny. Przekonano się o tym badając zależność intensywności promieniowania od szerokości geograficznej. Docierające z kosmosu cząstki naładowane częściej trafiają w okolice biegunów niż równika, a dzieje się tak z powodu oddziaływania z polem magnetycznym Ziemi.   

Cząstki promieni kosmicznych, wpadając w górne warstwy atmosfery, zderzają się z atomami gazów, w wyniku czego produkowane są wszelkie rodzaje cząstek elementarnych. Te znów odziaływują z powietrzem i tak rozwija się cała kaskada, mogąca liczyć tysiące cząstek, która w końcu dociera do powierzchni Ziemi. Ustalenie składu promieni przybywających prosto z kosmosu, wymagało zatem prowadzenia pomiarów na dużych wysokościach. Okazało się, że owo pierwotne promieniowanie to głównie jądra atomów wodoru, czyli protony, oraz niewielka domieszka cięższych jąder i elektronów.   

Astrofizycy od lat borykają się z pytaniem: czy pierwotne promieniowanie kosmiczne nie zawiera choćby niewielkiej ilości antymaterii? Świat cząstek elementarnych jest jakby symetryczny - każdej cząstce elementarnej odpowiada antycząstka: elektronowi - pozyton, protonowi - antyproton, itd. Natomiast świat, który widzimy wokół, zbudowany jest wyłącznie z materii, nie stwierdzamy w nim antymaterii. Czy tak jest jednak w całym kosmosie? A może są w nim obszary, gdzie zamiast materii jest antymateria? Obecność antycząstek w promieniowaniu kosmicznym potwierdzałaby taką hipotezę. Jej weryfikacja jest jednak bardzo trudna. Antyprotony rzeczywiście obserwuje się w tym promieniowaniu, lecz ich ilość jest, jak dotychczas, zgodna z teoretycznymi przewidywaniami zakładającymi ich produkcję w najwyższych warstwach atmosfery. W naszym bliskim sąsiedztwie nie ma więc zapewne antyświatów.   

Promieniowanie kosmiczne samo w sobie jest zjawiskiem niezmiernie ciekawym. Okazało się ono również ogromnie użyteczne w badaniach cząstek elementarnych, gdyż praktycznie jedyną doświadczalną metodą tych badań jest obserwowanie produktów zderzeń rozpędzonych cząstek. Dzięki promieniom kosmicznym odkryto w 1932 roku antycząstkę elektronu, czyli pozyton, a później jeszcze wielu przedstawicieli licznej menażerii cząstek elementarnych. Począwszy od lat pięćdziesiątych nauczono się jednak przyspieszać cząstki w urządzeniach zwanych akceleratorami, więc znaczenie promieni kosmicznych jako źródła szybkich cząstek zaczęło spadać.   

Ogromne osiągnięcia fizyki w poznawaniu najmniejszych struktur materii związane były z budową coraz potężniejszych akceleratorów przyspieszających zderzane cząstki do wciąż wyższych energii. Obecnie, największe akceleratory są ogromnymi urządzeniami kilometrowych rozmiarów, umieszczanymi w podziemnych tunelach. Ich koszty też są oczywiście ogromne - idą w miliardy dolarów. Okazuje się zaś, że niektóre z docierających z kosmosu cząstek niosą energię aż miliony razy większą od tej jaką umiemy uzyskać w ziemskich laboratoriach. Od pół wieku fizycy debatują nad kosmiczną siłą, która potrafi je tak rozpędzić. Zaproponowano kilka możliwych rozwiązań problemu. Jedno z nich zostało ostatnio doświadczalnie zweryfikowane.   

Gwiazdy wielkości naszego Słońca umierają spokojnie - wypaliwszy swe jądrowe paliwo zamieniają się w zimne nieświecące obiekty zwane białymi karłami. Gwiazdy dużo większe natomiast kończą żywot gigantycznym kataklizmem - wybuchem supernowej, powodującym wyrzucenie w przestrzeń gwiezdnych popiołów. Słabo świecąca gwiazda rozbłyska wówczas gwałtownie na przeciąg kilku tygodni, by później zgasnąć zupełnie. Kilkakrotnie obserwowano takie zjawisko gołym okiem. W lipcu 1054 roku pojawiło się na niebie jakby drugie Słońce i świeciło przez trzy tygodnie. Odnotowali to zdarzenie chińscy kronikarze, a współcześni astronomowie odnaleźli pozostałości odpowiedzialnej za nie supernowej w Mgławicy Krab. Począwszy od lat 60-tych upowszechnił się pogląd, że to właśnie podczas wybuchów supernowych rozpędzane są promienie kosmiczne. Brakowało jednak doświadczalnych dowodów. Należy pamiętać, że promienie wcale nie muszą przybywać z kierunku, gdzie doszło do wybuchu supernowej, gdyż buszujące w Galaktyce pola magnetyczne całkowicie zakręcają ich tory.   

W lutym w 1993 roku umieszczono na orbicie okołoziemskiej japońskiego satelitę ASCA. Jego rentgenowski teleskop skierowano ku supernowej, która rozbłysła w roku 1006. Choć wybuch zdarzył się już prawie tysiąc lat temu, jeszcze obecnie i przez następnych wiele tysiącleci będzie rozchodzić się fala uderzeniowa unosząca w przestrzeń popioły wypalonej gwiazdy. Teoretycy wyliczyli, że rozpędzaniu elektronów przez tę falę towarzyszyć powinno pewne szczególne promieniowanie rentgenowskie. Amerykańsko-japoński zespół analizujący dane przekazane na Ziemię przez satelitę ASCA zdołał rzeczywiście stwierdzić jego obecność. Teoretyczny obraz przyśpieszania cząstek kosmicznych został zatem potwierdzony.

To jednak nie koniec historii. W ostatnich latach zarejestrowano kilka przypadków cząstek, które trafiając w Ziemię miały energię tak ogromną, że wybuch supernowej nie mógł ich rozpędzić. Przybyły zapewne spoza Mlecznej Drogi niosąc wieść o kosmicznym kataklizmie, którego potęgi nawet nie umiemy sobie wyobrazić.

(POLITYKA 32, 1996)