97 03 Promienie kosmiczne


Promienie kosmiczne
�adne inne cząstki nie niosą tyle energii.
Cho� ich ęród"o jest nieznane,
moŻe znajdowa� si� stosunkowo blisko
James W. Cronin, Thomas K. Gaisser i Simon P. Swordy
niej wi�cej co sekund� w ziem- wzrostem energii powinien, zbliŻając si� do
ską atmosfer� wpada subatomo- poziomu 1016 eV, zanikną�, ale tak si� nie dzie-
Mwa cząstka o takiej energii jak ka- je, co sugeruje, Że mechanizm odpowiedzial-
mieł wrzucony do studni. Wynika z tego, Że ny za powstawanie promieni kosmicznych
gdzieĘ we WszechĘwiecie są si"y zdolne o skrajnie wysokich energiach jest inny niŻ
przekaza� pojedynczemu protonowi ener- produkujący promieniowanie o energiach
gi� 100 mln razy wi�kszą niŻ osiągana przez bardziej umiarkowanych.
najpot�Żniejsze akceleratory ziemskie. Gdzie W 1960 roku Bernard Peters z Tata Insti-
i w jaki sposób? tute w Bombaju wysuną" hipotez�, Że pro-
Pytania te absorbowa"y umys"y fizyków mienie kosmiczne o niŻszej energii powsta-
od odkrycia promieni kosmicznych w 1912 ją przewaŻnie w naszej Galaktyce, podczas
roku (chociaŻ wiemy juŻ, Że twory, o których gdy te o wyŻszej energii pochodzą z odle-
mowa, są cząstkami, nadal nazywamy je glejszych ęróde". Sk"oni"a go do tego obser-
 promieniami ). W oĘrodku mi�dzygwiaz- wacja, Że na przyk"ad tor protonu naleŻą-
dowym wyst�pują jądra atomów wszystkich cego do promieni kosmicznych o energii
pierwiastków z tablicy okresowej; porusza- ponad 1019 eV nie móg"by zosta� znacząco
Promienie kosmiczne
ją si� one pod wp"ywem pól elektrycznych odchylony przez Żadne z pól magnetycz-  jądra atomowe w�drujące
i magnetycznych. Gdyby nie by"o atmosfe- nych generowanych przez Galaktyk�, tak z podĘwietlną pr�dkoĘcią 
ry ziemskiej, promienie kosmiczne zagraŻa- wi�c powinien by� mniej wi�cej prostoli- przemierzają dziwaczny,
skrócony relatywistycznie
"yby w znacznym stopniu naszemu zdrowiu; niowy. JeŻeli takie cząstki pochodzi"yby
kosmos, zanim uderzą w jądra
ludzie Żyjący w górach lub cz�sto podróŻu- z g"�bi naszej Galaktyki, moglibyĘmy si�
atomów gazu atmosferycznego
jący samolotami otrzymują mierzalne, do- spodziewa� róŻnej ich liczby z róŻnych kie-
wysoko nad Ziemią.
datkowe dawki promieniowania. runków, poniewaŻ Droga Mleczna nie ota-
Znaczna cz�� energii zostaje
By� moŻe najbardziej rzuca si� w oczy fakt, cza nas symetrycznie. Rozk"ad ten jest w za-
przekszta"cona w materi� 
Że naukowcy do tej pory nie odkryli natural- sadzie izotropowy, tak jak w przypadku
subatomowe cząstki
nego krałca widma promieniowania ko- promieni o niŻszych energiach, których kie-
takie jak miony, które z kolei
smicznego. Wi�kszoĘ� znanych ęróde" na"a- runki są rozproszone.
zderzają si� gwa"townie
dowanych cząstek  takich jak S"ołce z jego
z innymi atomami w atmosferze,
wiatrem s"onecznym  charakteryzuje si� Supernowe jako pompy
tworząc  p�k atmosferyczny .
pewną wartoĘcią graniczną energii; ęród"a te
Emitowane jest takŻe
po prostu nie wytwarzają cząstek o energiach Z tych niepewnych wniosków wynika, jak
promieniowanie .
powyŻej tej granicy. Promienie kosmiczne niewiele wiemy o pochodzeniu promieni kos-
natomiast si� pojawiają, aczkolwiek w coraz micznych. Astrofizycy dysponują wiarygod-
mniejszej iloĘci, przy tak wysokich energiach, nymi modelami ich powstawania, ale nie
jakie tylko astrofizycy potrafią zmierzy�. Da- znają ostatecznych odpowiedzi. O tym sta-
ne kołczą si� na poziomie 300 mld razy wi�k- nie rzeczy decyduje zapewne niewyobraŻal-
szym od energii spoczynkowej protonu, gdyŻ na prawie róŻnica mi�dzy warunkami pa-
obecnie nie ma detektora tak ogromnego, by nującymi na Ziemi i w obszarach, gdzie rodzą
zdo"a" zarejestrowa� bardzo ma"ą liczb� czą- si� promienie kosmiczne. W przestrzeni mi�-
stek o wyŻszych energiach. dzygwiazdowej w centymetrze szeĘciennym
Niemniej w odst�pach kilkuletnich obser- wyst�puje mniej wi�cej jeden atom, co jest
wowano dowody istnienia promieni kosmicz- g�stoĘcią o wiele niŻszą niŻ w najlepszej
nych o skrajnie wysokich energiach; cząstki te, sztucznej próŻni, jaką potrafimy wytworzy�.
trafiając do atmosfery, tworzy"y niezliczone Ponadto obszary te są wype"nione rozleg"y-
cząstki wtórne ("atwiejsze do wykrycia). Na mi polami elektrycznymi i magnetycznymi,
przyk"ad 15 paędziernika 1991 roku obser- powiązanymi ĘciĘle z rozproszoną popula-
watorium promieniowania kosmicznego na cją na"adowanych cząstek  jeszcze mniej licz-
pustyni Utah zarejestrowa"o p�k cząstek wtór- nych od atomów neutralnych.
nych, pochodzących od promienia kosmicz- OĘrodkowi takiemu daleko do oazy spo-
nego o energii 50 J (3 x 1020 eV). Strumieł koju, jakiej moglibyĘmy si� spodziewa�: ni-
promieniowania kosmicznego malejący ze skie g�stoĘci pozwalają si"om elektrycznym
36 �WIAT NAUKI Marzec 1997
MICHAEL GOODMAN
�ycie promienia kosmicznego
Cząstki na początkowym etapie
rozwoju kaskady poruszają si�
tak szybko, Że przewyŻszają
w rozrzedzonych górnych
warstwach atmosfery pr�dko�
Ęwiat"a (nieznacznie niŻszą
niŻ pr�dkoĘ� Ęwiat"a w próŻni),
i dlatego emitują promieniowanie
Czerenkowa  odpowiednik
optyczny huku powstającego
przy przekraczaniu bariery dęwi�ku.
Miony i inne resztki na kołcu p�ku
Gdy cząstki powsta"e w wyniku początkowego
atmosferycznego rozproszy"y juŻ swoją
zderzenia wpadną na jądra atomowe atmosfery,
energi� na tyle, Że ich oddzia"ywanie
kosztem ich energii mogą powsta� inne cząstki
z atmosferą generuje g"ównie promieniowanie
oraz wysokoenergetyczne promieniowanie.
ultrafioletowe, powstające w wyniku zniszczenia
Z zasady zachowania p�du wynika, Że wi�kszoĘ�
pow"ok elektronowych w atomach. �wiat"o to
wykreowanej materii porusza si� w tym samym
moŻe by� wykrywane przez czu"e fotomnoŻniki.
kierunku, co początkowy promieł kosmiczny,
W przypadku szczególnie wysokiej energii
natomiast fotony mogą by� w zasadzie
niektóre cząstki p�ku osiągają poziom gruntu
emitowane we wszystkich kierunkach.
i tam równieŻ mogą zosta� wykryte.
�WIAT NAUKI Marzec 1997 37
PROMIEĄ KOSMICZNY moŻe zosta�, jak
PROMIEĄ
JŃDRA ATOMOWE
si� przypuszcza, przyspieszony w wyniku KOSMICZNY
O�RODKA MIóDZYGWIAZDOWEGO
wybuchu supernowej. Astrofizycy wysun�-
li hipotez�, Że jądra atomowe, przechodząc
przez front fali uderzeniowej supernowej,
pobierają energi� z turbulentnych pól ma-
gnetycznych osadzonych w fali. Tor cząst-
ki moŻe by� tak odchylany, Że przechodzi
ona przez front fali setki, a nawet tysiące ra-
zy, pobierając za kaŻdym razem coraz wi�-
cej energii, aŻ wylatuje jako promieł ko-
smiczny. Wi�kszoĘ� cząstek porusza si� po
torach dających stosunkowo s"abe przyspie-
szenia, co odpowiada ogólnemu kszta"towi
widma energetycznego promieniowania ko-
smicznego (skrajnie z prawej), które opada
przy wyŻszych energiach. Z wygi�cia krzy-
FRONT FALI
wej ( kolanka ) wynika, Że wi�kszoĘ� czą-
UDERZENIOWEJ
stek jest przyspieszana przez mechanizm
dostarczający nie wi�cej niŻ 1015 eV energii.
Nadmiar cząstek o skrajnie wysokich ener-
giach Ęwiadczy o wyst�powaniu dodatko-
wego ich ęród"a, którego natura nie zosta"a
jeszcze poznana.
SUPERNOWA
i magnetycznym dzia"a� na wielkie od-
leg"oĘci i przez d"ugi czas, co w przypad-
ku materii o g�stoĘci ziemskiej zosta"oby
POROZRYWANE
bardzo szybko st"umione. Przestrzeł mi�-
LINIE SI�
dzygwiazdowa jest zatem wype"niona
POLA MAGNETYCZNEGO
turbulentną wysokoenergetyczną plazmą
cz�Ęciowo zjonizowanego gazu, znajdu-
jącego si� w stanie gwa"townej aktywno-
Ęci. Ruch ten cz�sto trudno zaobserwo- go w Drodze Mlecznej jest tylko niewie- naddęwi�kową, powodując w otacza-
wa� w skali czasowej dost�pnej cz"owie- le mniejsza niŻ Ęrednia energia kinetycz- jącym ją oĘrodku powstanie silnej fali
kowi, odleg"oĘci astronomiczne są bo- na dostarczana oĘrodkowi galaktyczne- uderzeniowej. Przypuszcza si�, Że takie
wiem ogromne; niemniej te same odle- mu w trzech wybuchach supernowych, fale uderzeniowe przyspieszają jądra ma-
g"oĘci pozwalają nawet umiarkowanym do których dochodzi w kaŻdym stule- terii, przez którą przechodzą, przekszta"-
si"om na imponujące wzmocnienie. Przez ciu. Niewiele jest  jeŻeli w ogóle istnie- cając je w promienie kosmiczne. Ponie-
ziemski akcelerator cząstka przemkn�"a- ją  innych ęróde" takiej energii w na- waŻ promienie kosmiczne są na"ado-
by w kilka mikrosekund, natomiast w je- szej Galaktyce. wane, poruszają si� w mi�dzygwiazdo-
go kosmicznym odpowiedniku moŻe Gdy zapada si� gwiazda o duŻej ma- wych polach magnetycznych po skom-
sp�dzi� lata, a nawet tysiąclecia. (Na ska- sie, jej zewn�trzne cz�Ęci eksplodują, plikowanych torach. W wyniku tego ich
le czasowe mają dodatkowy wp"yw nie- osiągając pr�dkoĘ� ponad 10 000 km/s. kierunki obserwowane z Ziemi nie do-
zwyk"e, zniekszta"cone relatywistycznie Podobna iloĘ� energii jest wyzwalana starczają Żadnej informacji o po"oŻeniu
uk"ady, w których poruszają si� cząstki podczas ca"kowitego rozpadu bia"ego pierwotnych ęróde".
promieniowania kosmicznego o skrajnie kar"a w wybuchu termojądrowym. Przypatrując si� promieniowaniu syn-
wysokich energiach. JeĘli moglibyĘmy W obydwu typach supernowych wyrzu- chrotronowemu, związanemu czasem
obserwowa� taką cząstk� przez 10 tys. cana materia rozprasza si� z pr�dkoĘcią z pozosta"oĘciami po supernowych, na-
lat, to z jej punktu widzenia okres ten
odpowiada"by zaledwie sekundzie.)
Astronomowie juŻ od dawna rozwa-
Żali moŻliwoĘ�, Że wi�kszoĘ� galaktycz-
nego promieniowania kosmicznego 
o energii poniŻej mniej wi�cej 1016 eV 
nie powstaje podczas wybuchu super-
nowych. Hipoteza ta narzuca"a si�
wprost, skoro moc potrzebna do utrzy-
mania na obserwowanym poziomie za-
pasu jąder promieniowania kosmiczne-
DETEKTOR PóKU ATMOSFERYCZNEGO
poszukuje Ęladów promieni kosmicznych
w górnych warstwach atmosfery. Fotodetek-
tory mogą Ęledzi� b"yski Ęwiat"a powodo-
wane przez cząstki oddzia"ujące z cząstecz-
kami powietrza i okreĘla� energi� oraz
prawdopodobną toŻsamoĘ� dochodzących
promieni. Detektor Fly s Eye (z prawej na
zbliŻeniu) usytuowany jest w Utah.
38 �WIAT NAUKI Marzec 1997
GEORGE KELVIN
B. BOLA
U.S. Army
niu od promieniowania dochodzące- mi atmosfery ziemskiej, gdy powstaje
JEDNA CZŃSTKA
NA METR KWADRATOWY
go z wn�trza pozosta"oĘci promienio- p�k cząstek wtórnych. Aby wi�c upew-
NA SEKUNDó
wanie rentgenowskie otoczki wyka- ni� si� co do sk"adu chemicznego pro-
zuje cechy charakterystyczne promie- mieni kosmicznych, naleŻy przeprowa-
niowania synchrotronowego. Astrofi- dzi� pomiar, zanim jeszcze wejdą one
zycy wywnioskowali z tego, Że elektro- w g�ste warstwy atmosfery. Niestety, za-
JEDNA CZŃSTKA
ny by"y tam przyspieszane aŻ do ener- rejestrowanie 100 promieni kosmicznych
NA METR KWADRATOWY
NA ROK gii 1014 eV (100 TeV). o energiach bliskich 1014 eV wymaga od
Detektor EGRET, umieszczony na po- detektora o powierzchni 10 m2 dzia"ania
k"adzie Compton Gamma Ray Observatory, na orbicie przez trzy lata. Typowe cza-
KOLANKO
zosta" uŻyty do badania punktowych sy ekspozycji są obecnie równowaŻne
ęróde" promieniowania utoŻsamia- mniej wi�cej 3 dniom na 1 m2 detektora.
JEDNA CZŃSTKA
nych z pozosta"oĘciami po supernowych. Naukowcy starają si� rozwiąza� ten
NA KILOMETR
Obserwowane nat�Żenia promieniowa- problem za pomocą pewnych pomys"o-
KWADRATOWY
NA ROK
nia i ich widma (aŻ do miliarda elektro- wych eksperymentów. Na przyk"ad
nowoltów) wskazują, Że pochodzi ono w NASA zosta"a rozwini�ta technologia

z rozpadu cząstek zwanych pionami utrzymywania duŻych "adunków (o wa-
neutralnymi, które mog"yby powstawa� dze oko"o trzech ton) przez wiele dni na
w efekcie zderzenia promieni kosmicz- balonach pozostających na duŻych wy-
nych stanowiących resztki eksplodu- sokoĘciach. Koszty takich eksperymen-
1010 1012 1014 1016 1018 1020
jącej gwiazdy z otaczającym ją gazem tów stanowią niewielką cz�Ę� kosztów
ENERGIA (ELEKTRONOWOLTY)
mi�dzygwiazdowym. Interesujące jest detektora tej klasy umieszczonego na
ukowcy znaleęli bardziej bezpoĘrednie jednak to, Że poszukiwania przedsi�- satelicie. Najbardziej udane loty tego ty-
dowody wyst�powania supernowych wzi�te w naziemnym Whipple Observa- pu odby"y si� na Antarktydzie, gdzie
w roli akceleratorów. Promieniowanie tory w zakresie promieni o duŻo wyŻ- wiatry w górnych warstwach atmosfery
synchrotronowe jest charakterystyczne szych energiach, pochodzących w kilku zataczają niemal idealny okrąg wokó"
dla elektronów o wysokiej energii, poru- przypadkach z tych samych pozosta"o- bieguna po"udniowego.
szających si� w intensywnym polu ma- Ęci po supernowych, nie doprowadzi"y Balon wypuszczony w McMurdo
gnetycznym, które mog"oby dzia"a� ja- do stwierdzenia sygna"ów na takim po- Sound na wybrzeŻu Antarktydy prze-
ko akcelerator promieni kosmicznych, ziomie, jakiego naleŻa"o si� spodziewa�, w�druje po zamkni�tej p�tli o prawie
a pojawianie si� w niektórych pozosta- gdyby wybuchy przyspiesza"y cząstki sta"ym promieniu wokó" bieguna i po-
"oĘciach po supernowych synchrotro- do energii 1014 eV lub wyŻszych. wróci w kołcu w pobliŻe miejsca, skąd
nowego promieniowania rentgenow- Dodatkowo sprawdzamy związek zosta" wys"any. Niektóre z balonów
skiego Ęwiadczy o szczególnie wysokich mi�dzy promieniami kosmicznymi o wy- okrąŻy"y kontynent w ciągu 10 dni.
energiach. (W urządzeniach ziemskich sokich energiach a supernowymi, bada- Swordy wspó"pracuje z Dietrichem M�l-
emisja synchrotronowa ogranicza ener- jąc sk"ad chemiczny jąder atomowych lerem i Peterem Meyerem z University of
gi� cząstek, poniewaŻ tempo jej wy- promieni. Rozmiary orbity na"adowanej Chicago nad budową detektora o po-
Ęwiecania wzrasta wraz z pr�dkoĘcią cząstki w polu magnetycznym są pro- wierzchni 10 m2 mogącego dokona� w
cząstki. W pewnym momencie energia porcjonalne do jej ca"kowitego p�du czasie takiego lotu pomiarów ci�Żkich
w postaci promieniowania uchodzi z przypadającego na jednostk� "adunku, jąder promieniowania kosmicznego, któ-
przyspieszanej cząstki w takim tempie, tak wi�c ci�Ższe jądra o danych rozmia- rych energia dochodzi do 1015 eV. Do-
w jakim jest do niej dostarczana.) Ostat- rach orbity mają wi�kszą energi� ca"ko- k"adają równieŻ starał, by wyd"uŻy�
nio japołski satelita przeznaczony do witą. KaŻdy proces ograniczający przy- czas ekspozycji do oko"o 100 dni, orga-
obserwacji promieniowania rentgenow- spieszanie cząstek z powodu wielkoĘci nizując podobne loty bliŻej równika.
skiego ASCA wykona" zdj�cia otoczki orbity (na przyk"ad przyspieszanie w
supernowej z 1006 roku. W odróŻnie- ograniczonym obszarze) prowadzi� za- W przestrzeni mi�dzygalaktycznej
tem b�dzie do nadwyŻki ci�Ższych jąder
towarzyszących wyŻszym energiom. Badanie promieni kosmicznych
ChcielibyĘmy jednak pójĘ� dalej i zna- o jeszcze wi�kszych energiach  powsta-
leę� Ęlad pierwiastków przyspieszanych jących w nie znanych dotąd ęród"ach 
w poszczególnych typach supernowych. wymaga zastosowania olbrzymich de-
Na przyk"ad supernowa powsta"a w tektorów naziemnych. Pozwala to po-
wyniku rozpadu bia"ego kar"a powin- kona� problemy związane z ma"ym
na przyspiesza� wszystkie jądra atomo- strumieniem, gdyŻ moŻna prowadzi�
we, które znajdują si� w otaczającym ją obserwacj� ogromnych powierzchni
oĘrodku mi�dzygwiazdowym, nato- efektywnych w ciągu miesi�cy, a nawet
miast powstająca w wyniku zapada- lat. Ta informacja musi zosta� jednak
nia si� gwiazdy o duŻej masie  wiatr wy"owiona z kaskad cząstek wtórnych
gwiazdowy otaczający gwiazd� na  elektronów, mionów i promieni 
wczeĘniejszych etapach ewolucji. W nie- których ęród"em wysoko w atmosferze
których przypadkach w wietrze tym po- jest wpadające jądro atomowe promie-
winno si� znajdowa� wi�cej helu, w�- nia kosmicznego. Takie poĘrednie meto-
gla, a nawet pierwiastków ci�Ższych. dy mogą, zamiast identyfikowa� liczb�
Wysokoenergetyczne promienie kos- atomową kaŻdego wpadającego jądra,
miczne niemal ca"kowicie tracą toŻsa- jedynie sugerowa� ogólny sk"ad che-
mo� podczas oddzia"ywania z atoma- miczny tych promieni.
�WIAT NAUKI Marzec 1997 39
WZGLóDNY STRUMIEĄ CZŃSTEK (JEDNOSTKI LOGARYTMICZNE)
JENNIFER C. CHRISTIANSEN
BALON WYSOKO�CIOWY wypuszczony
w pobliŻu Bazy McMurdo na Antarktydzie
wynosi detektory promieniowania kosmicz-
nego ponad atmosfer�. Na wysokoĘci 40 km
nad czapą polarną wiatry zataczają wokó"
LODOWIEC
bieguna po"udniowego okr�gi, odsy"ając na LODOWIEC
SZELFOWY RONNE
SZELFOWY ROSSA
powrót balon w okolice punktu startowego
po mniej wi�cej 10 dniach. Detektory na ba-
lonach nie są tak czu"e jak umieszczane na
pok"adach satelitów, za to mogą by� o wie-
le wi�ksze i kosztują znacznie mniej.
BAZA
McMURDO
Miliony cząstek wtórnych wyzwolo-
nych przez promieł kosmiczny są roz-
rzucane na poziomie gruntu na obszarze
o promieniu setek metrów. PoniewaŻ
nie jest zbyt praktyczne pokrywanie de-
KIERUNEK LOTU
tektorami ca"ego tak wielkiego obsza-
ru, rejestruje si� takie p�ki atmosferycz-
ANTARKTYDA
ne w kilkuset róŻnych miejscach.
Usprawnienia techniczne umoŻliwi"y
gromadzenie coraz bardziej z"oŻonych
serii danych, pozwalając w ten sposób
wyciągną� wnioski z badania kaŻdego
p�ku. Na przyk"ad w eksperymencie
o nazwie CASA-MIA-DICE przeprowa- niu obserwacji tych samych rodzajów JeĘliby ęród"a takich wysokoenerge-
dzonym w Utah, w którym biorą udzia" promieni kosmicznych przez detektory tycznych cząstek by"y roz"oŻone równo-
Cronin i Swordy, dokonuje si� pomia- naziemne i powietrzne, a takŻe w lep- miernie we WszechĘwiecie, oddzia"ywa-
rów rozk"adu elektronów i mionów przy szym kalibrowaniu danych naziemnych. nie z mikrofalowym promieniowaniem
powierzchni Ziemi. Wykrywane jest tak- SpoĘród promieni kosmicznych o ener- t"a powodowa"oby ostre obci�cie liczby
Że promieniowanie Czerenkowa (rodzaj giach przewyŻszających 1020 eV w atmo- cząstek o energiach powyŻej 5 x 1019 eV;
optycznej fali uderzeniowej wytwarza- sfer� ziemską uderza najwyŻej jeden na taki przypadek jednak nie zachodzi. Za-
nej przez cząstki poruszające si� z pr�d- kilometr kwadratowy rocznie. W związ- rejestrowano dotychczas zbyt ma"o zda-
koĘcią wi�kszą niŻ Ęwiat"o w otaczają- ku z tym ich badanie wymaga stosowa- rzeł o energii przekraczającej ten sym-
cym je oĘrodku), generowane przez nia detektora p�ków atmosferycznych boliczny próg, aby móc stwierdzi�, co si�
cząstki p�ku w róŻnych warstwach at- o prawdziwie gigantycznych rozmiarach. dzieje, lecz nawet te nieliczne, których
mosfery. Dane te pozwalają na wierniej- Oprócz incydentu z 1991 roku w Utah Ęwiadkami byliĘmy, dają nam jedyną
szą rekonstrukcj� kszta"tu p�ku, a zatem cząstki o energiach powyŻej 1020 eV by"y w swoim rodzaju okazj� do budowania
na lepsze odtworzenie energii i zidenty- rejestrowane przez róŻne grupy w ca"ych róŻnych teorii. PoniewaŻ promienie te
fikowanie promienia kosmicznego, któ- Stanach Zjednoczonych, w Akeno w Ja- nie ulegają w zasadzie odchyleniu przez
ry go zainicjowa". ponii, w Haverah Park w Wielkiej Bryta- s"abe mi�dzygalaktyczne pola magne-
Gaisser mierzy natomiast w"asnoĘci nii i w Jakucku na Syberii. tyczne, pomiary kierunku przychodze-
p�ków osiągających powierzchni� Zie- nia dostatecznie duŻej próbki powinny
mi na biegunie po"udniowym. Ekspe- Niezwyk"e olbrzymy jednoznacznie wskaza� po"oŻenie ich
rymentatorzy wspó"pracują z AMAN- ęróde".
DA (Antarctic Muon and Neutrino Cząstki o tak wysokich energiach sta- Bardzo interesujące jest dedukowa-
Detector Array  antarktycznym uk"a- nowią prawdziwą zagadk�. Z jednej nie toŻsamoĘci ęróde". Szeroki zakres
dem detektorów mionów i neutrin) strony, dochodzą prawdopodobnie spo- moŻliwoĘci dają trzy przedstawione
wykrywającym miony o wysokiej ener- za naszej Galaktyki, poniewaŻ Żaden ostatnio hipotezy: dysk akrecyjny wo-
gii, powstające w tych samych p�kach znany galaktyczny mechanizm przy- kó" galaktycznej czarnej dziury, b"yski
w wyniku obserwacji promieniowania spieszania nie móg"by ich wytworzy�, promieniowania oraz defekty topolo-
Czerenkowa generowanego g"�boko a ponadto przychodzą ze wszystkich giczne struktury WszechĘwiata.
w lodowej czapie polarnej. G"ównym kierunków, chociaŻ pole magnetyczne Astrofizycy przewidzieli, Że do wy-
zadaniem AMANDA jest wy"apywanie Galaktyki nie zagina ich toru. Z drugiej rzucenia relatywistycznych strug mate-
Ęladów neutrin wytwarzanych w kos- zaĘ strony, ich ęród"o nie moŻe by� bar- rii daleko w przestrzeł mi�dzygalak-
micznych akceleratorach, które mogą dziej odleg"e niŻ jakieĘ 30 mln lat Ęwietl- tyczną z pr�dkoĘciami dochodzącymi
generowa� po przejĘciu przez wn�trze nych  w przeciwnym razie cząstki te do osiąganej przez Ęwiat"o konieczne są
Ziemi p�ki skierowane ku górze. utraci"yby swoją energi�, oddzia"ując czarne dziury o masach powyŻej miliar-
Poza gromadzeniem dok"adniejszych z globalnym t"em promieniowania mi- da mas S"ołca, wsysające materi� w ją-
danych naukowcy udoskonalają takŻe krofalowego pozosta"ego po narodzi- drach aktywnych galaktyk. Mapy takich
symulacje komputerowe rozwoju p�- nach kosmosu w Wielkim Wybuchu. strug materii zosta"y sporządzone za
ków atmosferycznych. Modele pozwa- W relatywistycznym wszechĘwiecie, pomocą radioteleskopów. Peter L. Bier-
lają zrozumie� zarówno moŻliwoĘci, który zape"niają promienie kosmiczne mann z Instytutu Radioastronomicz-
jak i ograniczenia pomiarów naziem- o najwyŻszych energiach, nawet poje- nego Maxa Plancka w Bonn wraz ze
nych. Poszerzenie zakresu bezpoĘred- dynczy foton o cz�stoĘci radiowej ma wspó"pracownikami przypuszczają, Że
nich pomiarów energii promieniowa- wystarczająco duŻo krzepy, by pozba- gorące plamy widoczne w tych struk-
nia kosmicznego pomoŻe w prowadze- wi� cząstk� wi�kszoĘci jej energii. turach radiowych są frontami fal ude-
40 �WIAT NAUKI Marzec 1997
GEORGE KELVIN
Uk"ad detektorów AGASA w Japonii ma
obecnie powierzchni� efektywną 200 km2,
a nowy eksperyment w Utah zwany
Fly s Eye HiRes (Oko Muchy o DuŻej
RozdzielczoĘci) pokryje powierzchni�
oko"o 1000 km2. KaŻdy z detektorów mo-
Że rocznie wy"apa� jedynie kilka zdarzeł
o skrajnie wysokiej energii.
W ciągu ostatnich kilku lat Cronin
i Alan A. Watson z University of Leeds
stan�li na czele przedsi�wzi�cia zmierza-
jącego do zgromadzenia jeszcze wi�kszej
próbki promieni kosmicznych o bardzo
wysokiej energii. Inicjatyw� t� nazwano
Auger Project od nazwiska Pierre a
Augera, francuskiego naukowca, który
pierwszy bada" zjawisko powiązanych
ze sobą p�ków cząstek pochodzących od
promieni kosmicznych. Planowana jest
budowa na powierzchni 9000 km2 detek-
torów, mogących w ciągu roku zmierzy�
setki wysokoenergetycznych zdarzeł.
Powierzchni� detektorów stanowi� b�-
dzie wiele jednostek roz"oŻonych na siat-
rzeniowych przyspieszającymi promie- nych, jakie mog"yby powsta� we wcze- ce o pó"torakilometrowych okach. Po-
nie kosmiczne do skrajnie wysokich snym WszechĘwiecie. Te hipotetyczne jedyncze zdarzenie moŻe zainicjowa�
energii. Istnieją oznaki, Że kierunki pro- obiekty są, jak si� przypuszcza, siedli- sygna" w dziesiątkach jednostek.
mieni kosmicznych o najwyŻszych ener- skiem pozosta"oĘci po wczeĘniejszej, bar- Konferencja poĘwi�cona realizacji Au-
giach naĘladują do pewnego stopnia dziej symetrycznej fazie podstawowych ger Project, która odby"a si� w 1995 roku
rozk"ad radiogalaktyk na niebie. pól natury: gdy grawitacja, elektroma- w Fermi National Accelerator Laboratory,
Hipoteza, Że b"yski promieniowa- gnetyzm oraz jądrowe oddzia"ywania podkreĘli"a moŻliwoĘci nowoczesnej tech-
nia są ęród"em wysokoenergetycz- s"abe i silne stanowi"y jednoĘ�. MoŻna je niki w budowaniu takiego uk"adu; przy-
nych promieni kosmicznych, wzi�"a si� sobie w pewnym sensie wyobrazi� jako k"adami jej są baterie s"oneczne, telefony
z teorii wyjaĘniającej powstawanie b"y- ma"e kieszonki z odrobinami Wszech- komórkowe czy odbiorniki Globalnego
sków w wyniku relatywistycznych eks- Ęwiata, który istnia" w u"amkach sekund Systemu Lokalizacji (GPS). Detektor wiel-
plozji, podczas których dochodzi do zle- po Wielkim Wybuchu. koĘci Rhode Island kosztowa"by tylko
wania si� gwiazd neutronowych. Mario Podczas zapadania si� tych kieszonek, oko"o 50 mln dolarów. Aby obją� pomia-
Vietri z Obserwatorium Astronomicz- gdy równieŻ wewnątrz nich dochodzi rami ca"e niebo, planuje si� zbudowanie
nego w Rzymie oraz niezaleŻnie Eli do z"amania symetrii si", energia w nich dwóch takich detektorów  na pó"kuli pó"-
Waxman z Princeton University zauwa- zawarta zostaje wyzwolona w postaci nocnej i po"udniowej.
Żyli wysoką zgodnoĘ� pomi�dzy energią supermasywnych cząstek rozpadających Podczas gdy naukowcy zmagają si�
wyzwalaną podczas takich kataklizmów si� natychmiast na strumienie cząstek z problemami budowy i obs"ugi gigan-
a potrzebną do utrzymania najwyŻszej o energiach do 100 tys. razy wi�kszych tycznych sieci detektorów, nadal nie ma
energii obserwowanego strumienia pro- od znanych nam promieni kosmicznych odpowiedzi na podstawowe pytanie: czy
mieniowania kosmicznego. Traktują oni o skrajnie wysokich energiach. W tym natura moŻe wytworzy� cząstki o jesz-
fale uderzeniowe o bardzo wielkich scenariuszu te ostatnie są jedynie stosun- cze wi�kszej energii od zarejestrowanych
pr�dkoĘciach wywo"ywane przez te eks- kowo powolnymi pozosta"oĘciami po ka- do tej pory? Czy istnieją promienie ko-
plozje jako kosmiczne akceleratory. skadach kosmologicznych cząstek. smiczne o jeszcze wyŻszych energiach,
By� moŻe najbardziej interesująca jest Jakiekolwiek by by"o ęród"o tych pro- czy teŻ moŻe juŻ wykrywamy cząstki
hipoteza, wed"ug której cząstki o najwyŻ- mieni kosmicznych, prawdziwym wy- o najwyŻszych energiach, jakie nasz
szych energiach zawdzi�czają istnienie zwaniem jest zebranie wystarczającej ich WszechĘwiat potrafi wykreowa�?
rozpadowi monopoli, strun, Ęcian do- iloĘci do zbadania szczegó"owych kore-
T"umaczy"
men oraz innych defektów topologicz- lacji z obiektami pozagalaktycznymi. Zbigniew Loska
Informacje o autorach Literatura uzupe"niająca
JAMES W. CRONIN, THOMAS K. GAISSER i SIMON P. SWORDY pracują zarówno nad INTRODUCTION TO ULTRAHIGH ENERGY COSMIC RAY
teorią powstawania promieni kosmicznych, jak i praktycznymi problemami związanymi PHYSICS. Pierre Sokolsky; Addison-Wesley, 1988.
z ich detekcją i analizą. Cronin, profesor fizyki w University of Chicago od 1971 roku, COSMIC RAYS AND PARTICLE PHYSICS. Thomas K.
obroni" prac� magisterską w 1953 roku, a prac� doktorską w 1955. W 1980 roku wraz z Va- Gaisser; Cambridge University Press, 1990.
lem L. Fitchem otrzyma" Nagrod� Nobla za prac� o naruszeniu symetrii podczas rozpa- HIGH ENERGY ASTROPHYSICS, vol. 1. Wyd. II. Mal-
du mezonów. Gaisser, profesor fizyki w University of Delaware, skoncentrowa" si� na in- colm S. Longair; Cambridge University Press,
terpretacji kaskad atmosferycznych wywo"anych promieniami kosmicznymi. Uzyska" 1992.
doktorat w Brown University w 1967 roku. Sp�dzi" dwa miesiące na Antarktydzie przy COSMIC RAY OBSERVATIONS BELOW 1014 eV. Simon
montowaniu detektorów promieniowania kosmicznego. Swordy, profesor nadzwyczajny Swordy, w: Proceedings of the XXIII Internatio-
w University of Chicago, zajmowa" si� aktywnie pomiarami promieniowania kosmiczne- nal Cosmic Ray Conference. Red. D. A. Leahy, R.
go od 1976 roku. Doktoryzowa" si� w University of Bristol w 1979 roku. B. Hicks i D. Venkatesan; World Scientific, 1994.
�WIAT NAUKI Marzec 1997 41
STEVEN PETERZEN
National Scientific Balloon Facility


Wyszukiwarka