Promienie kosmiczne Úadne inne czÄ…stki nie niosÄ… tyle energii. Choç ich Ä™ród"o jest nieznane, moÅ»e znajdowaç si´ stosunkowo blisko James W. Cronin, Thomas K. Gaisser i Simon P. Swordy niej wi´cej co sekund´ w ziem- wzrostem energii powinien, zbliÅ»ajÄ…c si´ do skÄ… atmosfer´ wpada subatomo- poziomu 1016 eV, zaniknÄ…ç, ale tak si´ nie dzie- Mwa czÄ…stka o takiej energii jak ka- je, co sugeruje, Å»e mechanizm odpowiedzial- mieÅ‚ wrzucony do studni. Wynika z tego, Å»e ny za powstawanie promieni kosmicznych gdzieĘ we WszechĘwiecie sÄ… si"y zdolne o skrajnie wysokich energiach jest inny niÅ» przekazaç pojedynczemu protonowi ener- produkujÄ…cy promieniowanie o energiach gi´ 100 mln razy wi´kszÄ… niÅ» osiÄ…gana przez bardziej umiarkowanych. najpot´Å»niejsze akceleratory ziemskie. Gdzie W 1960 roku Bernard Peters z Tata Insti- i w jaki sposób? tute w Bombaju wysunÄ…" hipotez´, Å»e pro- Pytania te absorbowa"y umys"y fizyków mienie kosmiczne o niÅ»szej energii powsta- od odkrycia promieni kosmicznych w 1912 jÄ… przewaÅ»nie w naszej Galaktyce, podczas roku (chociaÅ» wiemy juÅ», Å»e twory, o których gdy te o wyÅ»szej energii pochodzÄ… z odle- mowa, sÄ… czÄ…stkami, nadal nazywamy je glejszych Ä™róde". Sk"oni"a go do tego obser- promieniami ). W oĘrodku mi´dzygwiaz- wacja, Å»e na przyk"ad tor protonu naleŻą- dowym wyst´pujÄ… jÄ…dra atomów wszystkich cego do promieni kosmicznych o energii pierwiastków z tablicy okresowej; porusza- ponad 1019 eV nie móg"by zostaç znaczÄ…co Promienie kosmiczne jÄ… si´ one pod wp"ywem pól elektrycznych odchylony przez Å»adne z pól magnetycz- jÄ…dra atomowe w´drujÄ…ce i magnetycznych. Gdyby nie by"o atmosfe- nych generowanych przez Galaktyk´, tak z podĘwietlnÄ… pr´dkoĘciÄ… ry ziemskiej, promienie kosmiczne zagraÅ»a- wi´c powinien byç mniej wi´cej prostoli- przemierzajÄ… dziwaczny, skrócony relatywistycznie "yby w znacznym stopniu naszemu zdrowiu; niowy. JeÅ»eli takie czÄ…stki pochodzi"yby kosmos, zanim uderzÄ… w jÄ…dra ludzie Å»yjÄ…cy w górach lub cz´sto podróŻu- z g"´bi naszej Galaktyki, moglibyĘmy si´ atomów gazu atmosferycznego jÄ…cy samolotami otrzymujÄ… mierzalne, do- spodziewaç róŻnej ich liczby z róŻnych kie- wysoko nad ZiemiÄ…. datkowe dawki promieniowania. runków, poniewaÅ» Droga Mleczna nie ota- Znaczna cz´Ä˜ç energii zostaje Byç moÅ»e najbardziej rzuca si´ w oczy fakt, cza nas symetrycznie. Rozk"ad ten jest w za- przekszta"cona w materi´ Å»e naukowcy do tej pory nie odkryli natural- sadzie izotropowy, tak jak w przypadku subatomowe czÄ…stki nego kraÅ‚ca widma promieniowania ko- promieni o niÅ»szych energiach, których kie- takie jak miony, które z kolei smicznego. Wi´kszoĘç znanych Ä™róde" na"a- runki sÄ… rozproszone. zderzajÄ… si´ gwa"townie dowanych czÄ…stek takich jak S"oÅ‚ce z jego z innymi atomami w atmosferze, wiatrem s"onecznym charakteryzuje si´ Supernowe jako pompy tworzÄ…c p´k atmosferyczny . pewnÄ… wartoĘciÄ… granicznÄ… energii; Ä™ród"a te Emitowane jest takÅ»e po prostu nie wytwarzajÄ… czÄ…stek o energiach Z tych niepewnych wniosków wynika, jak promieniowanie . powyÅ»ej tej granicy. Promienie kosmiczne niewiele wiemy o pochodzeniu promieni kos- natomiast si´ pojawiajÄ…, aczkolwiek w coraz micznych. Astrofizycy dysponujÄ… wiarygod- mniejszej iloĘci, przy tak wysokich energiach, nymi modelami ich powstawania, ale nie jakie tylko astrofizycy potrafiÄ… zmierzyç. Da- znajÄ… ostatecznych odpowiedzi. O tym sta- ne koÅ‚czÄ… si´ na poziomie 300 mld razy wi´k- nie rzeczy decyduje zapewne niewyobraÅ»al- szym od energii spoczynkowej protonu, gdyÅ» na prawie róŻnica mi´dzy warunkami pa- obecnie nie ma detektora tak ogromnego, by nujÄ…cymi na Ziemi i w obszarach, gdzie rodzÄ… zdo"a" zarejestrowaç bardzo ma"Ä… liczb´ czÄ…- si´ promienie kosmiczne. W przestrzeni mi´- stek o wyÅ»szych 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´stoĘciÄ… o wiele niÅ»szÄ… niÅ» w najlepszej nych o skrajnie wysokich energiach; czÄ…stki te, sztucznej próŻni, jakÄ… potrafimy wytworzyç. trafiajÄ…c do atmosfery, tworzy"y niezliczone Ponadto obszary te sÄ… wype"nione rozleg"y- czÄ…stki wtórne ("atwiejsze do wykrycia). Na mi polami elektrycznymi i magnetycznymi, przyk"ad 15 paÄ™dziernika 1991 roku obser- powiÄ…zanymi ĘciĘle z rozproszonÄ… popula- watorium promieniowania kosmicznego na cjÄ… na"adowanych czÄ…stek jeszcze mniej licz- pustyni Utah zarejestrowa"o p´k czÄ…stek wtór- nych od atomów neutralnych. nych, pochodzÄ…cych od promienia kosmicz- OĘrodkowi takiemu daleko do oazy spo- nego o energii 50 J (3 x 1020 eV). StrumieÅ‚ koju, jakiej moglibyĘmy si´ spodziewaç: ni- promieniowania kosmicznego malejÄ…cy ze skie g´stoĘci pozwalajÄ… si"om elektrycznym 36 ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 MICHAEL GOODMAN Úycie promienia kosmicznego CzÄ…stki na poczÄ…tkowym etapie rozwoju kaskady poruszajÄ… si´ tak szybko, Å»e przewyÅ»szajÄ… w rozrzedzonych górnych warstwach atmosfery pr´dkoĘç Ęwiat"a (nieznacznie niÅ»szÄ… niÅ» pr´dkoĘç Ęwiat"a w próŻni), i dlatego emitujÄ… promieniowanie Czerenkowa odpowiednik optyczny huku powstajÄ…cego przy przekraczaniu bariery dÄ™wi´ku. Miony i inne resztki na koÅ‚cu p´ku Gdy czÄ…stki powsta"e w wyniku poczÄ…tkowego atmosferycznego rozproszy"y juÅ» swojÄ… zderzenia wpadnÄ… na jÄ…dra atomowe atmosfery, energi´ na tyle, Å»e ich oddzia"ywanie kosztem ich energii mogÄ… powstaç inne czÄ…stki z atmosferÄ… generuje g"ównie promieniowanie oraz wysokoenergetyczne promieniowanie. ultrafioletowe, powstajÄ…ce w wyniku zniszczenia Z zasady zachowania p´du wynika, Å»e wi´kszoĘç pow"ok elektronowych w atomach. Âwiat"o to wykreowanej materii porusza si´ w tym samym moÅ»e byç wykrywane przez czu"e fotomnoÅ»niki. kierunku, co poczÄ…tkowy promieÅ‚ kosmiczny, W przypadku szczególnie wysokiej energii natomiast fotony mogÄ… byç w zasadzie niektóre czÄ…stki p´ku osiÄ…gajÄ… poziom gruntu emitowane we wszystkich kierunkach. i tam równieÅ» mogÄ… zostaç wykryte. ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 37 PROMIEÄ„ KOSMICZNY moÅ»e zostaç, jak PROMIEÄ„ JŃDRA ATOMOWE si´ przypuszcza, przyspieszony w wyniku KOSMICZNY OÂRODKA MIóDZYGWIAZDOWEGO wybuchu supernowej. Astrofizycy wysun´- li hipotez´, Å»e jÄ…dra atomowe, przechodzÄ…c przez front fali uderzeniowej supernowej, pobierajÄ… energi´ z turbulentnych pól ma- gnetycznych osadzonych w fali. Tor czÄ…st- ki moÅ»e byç tak odchylany, Å»e przechodzi ona przez front fali setki, a nawet tysiÄ…ce ra- zy, pobierajÄ…c za kaÅ»dym razem coraz wi´- cej energii, aÅ» wylatuje jako promieÅ‚ ko- smiczny. Wi´kszoĘç czÄ…stek porusza si´ po torach dajÄ…cych stosunkowo s"abe przyspie- szenia, co odpowiada ogólnemu kszta"towi widma energetycznego promieniowania ko- smicznego (skrajnie z prawej), które opada przy wyÅ»szych energiach. Z wygi´cia krzy- FRONT FALI wej ( kolanka ) wynika, Å»e wi´kszoĘç czÄ…- UDERZENIOWEJ stek jest przyspieszana przez mechanizm dostarczajÄ…cy nie wi´cej niÅ» 1015 eV energii. Nadmiar czÄ…stek o skrajnie wysokich ener- giach Ęwiadczy o wyst´powaniu dodatko- wego ich Ä™ród"a, którego natura nie zosta"a jeszcze poznana. SUPERNOWA i magnetycznym dzia"aç 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. PrzestrzeÅ‚ mi´- LINIE SI¸ dzygwiazdowa jest zatem wype"niona POLA MAGNETYCZNEGO turbulentnÄ… wysokoenergetycznÄ… plazmÄ… cz´Ä˜ciowo zjonizowanego gazu, znajdu- jÄ…cego si´ w stanie gwa"townej aktywno- Ęci. Ruch ten cz´sto trudno zaobserwo- go w Drodze Mlecznej jest tylko niewie- naddÄ™wi´kowÄ…, powodujÄ…c w otacza- waç w skali czasowej dost´pnej cz"owie- le mniejsza niÅ» Ęrednia energia kinetycz- jÄ…cym jÄ… oĘrodku powstanie silnej fali kowi, odleg"oĘci astronomiczne sÄ… bo- na dostarczana oĘrodkowi galaktyczne- uderzeniowej. Przypuszcza si´, Å»e takie wiem ogromne; niemniej te same odle- mu w trzech wybuchach supernowych, fale uderzeniowe przyspieszajÄ… jÄ…dra ma- g"oĘci pozwalajÄ… nawet umiarkowanym do których dochodzi w kaÅ»dym stule- terii, przez którÄ… przechodzÄ…, przekszta"- si"om na imponujÄ…ce wzmocnienie. Przez ciu. Niewiele jest jeÅ»eli w ogóle istnie- cajÄ…c je w promienie kosmiczne. Ponie- ziemski akcelerator czÄ…stka przemkn´"a- jÄ… innych Ä™róde" takiej energii w na- waÅ» promienie kosmiczne sÄ… na"ado- by w kilka mikrosekund, natomiast w je- szej Galaktyce. wane, poruszajÄ… si´ w mi´dzygwiazdo- go kosmicznym odpowiedniku moÅ»e Gdy zapada si´ gwiazda o duÅ»ej ma- wych polach magnetycznych po skom- sp´dziç lata, a nawet tysiÄ…clecia. (Na ska- sie, jej zewn´trzne cz´Ä˜ci eksplodujÄ…, plikowanych torach. W wyniku tego ich le czasowe majÄ… dodatkowy wp"yw nie- osiÄ…gajÄ…c pr´dkoĘç ponad 10 000 km/s. kierunki obserwowane z Ziemi nie do- zwyk"e, zniekszta"cone relatywistycznie Podobna iloĘç energii jest wyzwalana starczajÄ… Å»adnej informacji o po"oÅ»eniu uk"ady, w których poruszajÄ… si´ czÄ…stki podczas ca"kowitego rozpadu bia"ego pierwotnych Ä™róde". promieniowania kosmicznego o skrajnie kar"a w wybuchu termojÄ…drowym. PrzypatrujÄ…c si´ promieniowaniu syn- wysokich energiach. JeĘli moglibyĘmy W obydwu typach supernowych wyrzu- chrotronowemu, zwiÄ…zanemu czasem obserwowaç takÄ… czÄ…stk´ przez 10 tys. cana materia rozprasza si´ z pr´dkoĘciÄ… z pozosta"oĘciami po supernowych, na- lat, to z jej punktu widzenia okres ten odpowiada"by zaledwie sekundzie.) Astronomowie juÅ» od dawna rozwa- Å»ali moÅ»liwoĘç, Å»e wi´kszoĘç galaktycz- nego promieniowania kosmicznego o energii poniÅ»ej 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 jÄ…der promieniowania kosmiczne- DETEKTOR PóKU ATMOSFERYCZNEGO poszukuje Ęladów promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery. Fotodetek- tory mogÄ… Ęledziç b"yski Ęwiat"a powodo- wane przez czÄ…stki oddzia"ujÄ…ce z czÄ…stecz- kami powietrza i okreĘlaç energi´ oraz prawdopodobnÄ… toÅ»samoĘç dochodzÄ…cych promieni. Detektor Fly s Eye (z prawej na zbliÅ»eniu) usytuowany jest w Utah. 38 ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 GEORGE KELVIN B. BOLA U.S. Army niu od promieniowania dochodzÄ…ce- mi atmosfery ziemskiej, gdy powstaje JEDNA CZŃSTKA NA METR KWADRATOWY go z wn´trza pozosta"oĘci promienio- p´k czÄ…stek wtórnych. Aby wi´c upew- NA SEKUNDó wanie rentgenowskie otoczki wyka- niç si´ co do sk"adu chemicznego pro- zuje cechy charakterystyczne promie- mieni kosmicznych, naleÅ»y przeprowa- niowania synchrotronowego. Astrofi- dziç pomiar, zanim jeszcze wejdÄ… one zycy wywnioskowali z tego, Å»e elektro- w g´ste warstwy atmosfery. Niestety, za- JEDNA CZŃSTKA ny by"y tam przyspieszane aÅ» 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" uÅ»yty do badania punktowych sy ekspozycji sÄ… obecnie równowaÅ»ne Ä™róde" promieniowania utoÅ»samia- mniej wi´cej 3 dniom na 1 m2 detektora. JEDNA CZŃSTKA nych z pozosta"oĘciami po supernowych. Naukowcy starajÄ… si´ rozwiÄ…zaç ten NA KILOMETR Obserwowane nat´Å»enia promieniowa- problem za pomocÄ… pewnych pomys"o- KWADRATOWY NA ROK nia i ich widma (aÅ» do miliarda elektro- wych eksperymentów. Na przyk"ad nowoltów) wskazujÄ…, Å»e pochodzi ono w NASA zosta"a rozwini´ta technologia
z rozpadu czÄ…stek zwanych pionami utrzymywania duÅ»ych "adunków (o wa- neutralnymi, które mog"yby powstawaç dze oko"o trzech ton) przez wiele dni na w efekcie zderzenia promieni kosmicz- balonach pozostajÄ…cych na duÅ»ych wy- nych stanowiÄ…cych resztki eksplodu- sokoĘciach. Koszty takich eksperymen- 1010 1012 1014 1016 1018 1020 jÄ…cej gwiazdy z otaczajÄ…cym jÄ… gazem tów stanowiÄ… niewielkÄ… cz´Ä˜ç kosztów ENERGIA (ELEKTRONOWOLTY) mi´dzygwiazdowym. InteresujÄ…ce jest detektora tej klasy umieszczonego na ukowcy znaleÄ™li bardziej bezpoĘrednie jednak to, Å»e 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 duÅ»o wyÅ»- wiatry w górnych warstwach atmosfery synchrotronowe jest charakterystyczne szych energiach, pochodzÄ…cych w kilku zataczajÄ… niemal idealny okrÄ…g wokó" dla elektronów o wysokiej energii, poru- przypadkach z tych samych pozosta"o- bieguna po"udniowego. szajÄ…cych si´ w intensywnym polu ma- Ęci po supernowych, nie doprowadzi"y Balon wypuszczony w McMurdo gnetycznym, które mog"oby dzia"aç ja- do stwierdzenia sygna"ów na takim po- Sound na wybrzeÅ»u Antarktydy prze- ko akcelerator promieni kosmicznych, ziomie, jakiego naleÅ»a"o si´ spodziewaç, w´druje po zamkni´tej p´tli o prawie a pojawianie si´ w niektórych pozosta- gdyby wybuchy przyspiesza"y czÄ…stki sta"ym promieniu wokó" bieguna i po- "oĘciach po supernowych synchrotro- do energii 1014 eV lub wyÅ»szych. wróci w koÅ‚cu w pobliÅ»e miejsca, skÄ…d nowego promieniowania rentgenow- Dodatkowo sprawdzamy zwiÄ…zek zosta" wys"any. Niektóre z balonów skiego Ęwiadczy o szczególnie wysokich mi´dzy promieniami kosmicznymi o wy- okrÄ…Å»y"y kontynent w ciÄ…gu 10 dni. energiach. (W urzÄ…dzeniach ziemskich sokich energiach a supernowymi, bada- Swordy wspó"pracuje z Dietrichem Mül- emisja synchrotronowa ogranicza ener- jÄ…c sk"ad chemiczny jÄ…der atomowych lerem i Peterem Meyerem z University of gi´ czÄ…stek, poniewaÅ» tempo jej wy- promieni. Rozmiary orbity na"adowanej Chicago nad budowÄ… detektora o po- Ęwiecania wzrasta wraz z pr´dkoĘciÄ… czÄ…stki w polu magnetycznym sÄ… pro- wierzchni 10 m2 mogÄ…cego dokonaç w czÄ…stki. W pewnym momencie energia porcjonalne do jej ca"kowitego p´du czasie takiego lotu pomiarów ci´Å»kich w postaci promieniowania uchodzi z przypadajÄ…cego na jednostk´ "adunku, jÄ…der promieniowania kosmicznego, któ- przyspieszanej czÄ…stki w takim tempie, tak wi´c ci´Å»sze jÄ…dra o danych rozmia- rych energia dochodzi do 1015 eV. Do- w jakim jest do niej dostarczana.) Ostat- rach orbity majÄ… wi´kszÄ… energi´ ca"ko- k"adajÄ… równieÅ» staraÅ‚, by wyd"uÅ»yç nio japoÅ‚ski satelita przeznaczony do witÄ…. KaÅ»dy proces ograniczajÄ…cy przy- czas ekspozycji do oko"o 100 dni, orga- obserwacji promieniowania rentgenow- spieszanie czÄ…stek z powodu wielkoĘci nizujÄ…c podobne loty bliÅ»ej równika. skiego ASCA wykona" zdj´cia otoczki orbity (na przyk"ad przyspieszanie w supernowej z 1006 roku. W odróŻnie- ograniczonym obszarze) prowadziç za- W przestrzeni mi´dzygalaktycznej tem b´dzie do nadwyÅ»ki ci´Å»szych jÄ…der towarzyszÄ…cych wyÅ»szym energiom. Badanie promieni kosmicznych ChcielibyĘmy jednak pójĘç dalej i zna- o jeszcze wi´kszych energiach powsta- leÄ™ç Ęlad pierwiastków przyspieszanych jÄ…cych w nie znanych dotÄ…d Ä™ród"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- konaç problemy zwiÄ…zane z ma"ym na przyspieszaç wszystkie jÄ…dra atomo- strumieniem, gdyÅ» moÅ»na prowadziç we, które znajdujÄ… si´ w otaczajÄ…cym jÄ… obserwacj´ ogromnych powierzchni oĘrodku mi´dzygwiazdowym, nato- efektywnych w ciÄ…gu miesi´cy, a nawet miast powstajÄ…ca w wyniku zapada- lat. Ta informacja musi zostaç jednak nia si´ gwiazdy o duÅ»ej masie wiatr wy"owiona z kaskad czÄ…stek wtórnych gwiazdowy otaczajÄ…cy gwiazd´ na elektronów, mionów i promieni wczeĘniejszych etapach ewolucji. W nie- których Ä™ród"em wysoko w atmosferze których przypadkach w wietrze tym po- jest wpadajÄ…ce jÄ…dro atomowe promie- winno si´ znajdowaç wi´cej helu, w´- nia kosmicznego. Takie poĘrednie meto- gla, a nawet pierwiastków ci´Å»szych. dy mogÄ…, zamiast identyfikowaç liczb´ Wysokoenergetyczne promienie kos- atomowÄ… kaÅ»dego wpadajÄ…cego jÄ…dra, miczne niemal ca"kowicie tracÄ… toÅ»sa- jedynie sugerowaç ogólny sk"ad che- moĘç podczas oddzia"ywania z atoma- miczny tych promieni. ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 39 WZGLóDNY STRUMIEÄ„ CZŃSTEK (JEDNOSTKI LOGARYTMICZNE) JENNIFER C. CHRISTIANSEN BALON WYSOKOÂCIOWY wypuszczony w pobliÅ»u Bazy McMurdo na Antarktydzie wynosi detektory promieniowania kosmicz- nego ponad atmosfer´. Na wysokoĘci 40 km nad czapÄ… polarnÄ… wiatry zataczajÄ… wokó" LODOWIEC bieguna po"udniowego okr´gi, odsy"ajÄ…c na LODOWIEC SZELFOWY RONNE SZELFOWY ROSSA powrót balon w okolice punktu startowego po mniej wi´cej 10 dniach. Detektory na ba- lonach nie sÄ… tak czu"e jak umieszczane na pok"adach satelitów, za to mogÄ… byç o wie- le wi´ksze i kosztujÄ… znacznie mniej. BAZA McMURDO Miliony czÄ…stek wtórnych wyzwolo- nych przez promieÅ‚ kosmiczny sÄ… roz- rzucane na poziomie gruntu na obszarze o promieniu setek metrów. PoniewaÅ» 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 umoÅ»liwi"y gromadzenie coraz bardziej z"oÅ»onych serii danych, pozwalajÄ…c w ten sposób wyciÄ…gnÄ…ç wnioski z badania kaÅ»dego p´ku. Na przyk"ad w eksperymencie o nazwie CASA-MIA-DICE przeprowa- niu obserwacji tych samych rodzajów JeĘliby Ä™ród"a takich wysokoenerge- dzonym w Utah, w którym biorÄ… udzia" promieni kosmicznych przez detektory tycznych czÄ…stek by"y roz"oÅ»one równo- Cronin i Swordy, dokonuje si´ pomia- naziemne i powietrzne, a takÅ»e 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 Å»e promieniowanie Czerenkowa (rodzaj giach przewyÅ»szajÄ…cych 1020 eV w atmo- czÄ…stek o energiach powyÅ»ej 5 x 1019 eV; optycznej fali uderzeniowej wytwarza- sfer´ ziemskÄ… uderza najwyÅ»ej jeden na taki przypadek jednak nie zachodzi. Za- nej przez czÄ…stki poruszajÄ…ce si´ z pr´d- kilometr kwadratowy rocznie. W zwiÄ…z- rejestrowano dotychczas zbyt ma"o zda- koĘciÄ… wi´kszÄ… niÅ» Ęwiat"o w otaczajÄ…- ku z tym ich badanie wymaga stosowa- rzeÅ‚ o energii przekraczajÄ…cej ten sym- cym je oĘrodku), generowane przez nia detektora p´ków atmosferycznych boliczny próg, aby móc stwierdziç, co si´ czÄ…stki p´ku w róŻnych warstwach at- o prawdziwie gigantycznych rozmiarach. dzieje, lecz nawet te nieliczne, których mosfery. Dane te pozwalajÄ… na wierniej- Oprócz incydentu z 1991 roku w Utah Ęwiadkami byliĘmy, dajÄ… nam jedynÄ… szÄ… rekonstrukcj´ kszta"tu p´ku, a zatem czÄ…stki o energiach powyÅ»ej 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. PoniewaÅ» promienie te fikowanie promienia kosmicznego, któ- Stanach Zjednoczonych, w Akeno w Ja- nie ulegajÄ… 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 osiÄ…gajÄ…cych powierzchni´ Zie- nia dostatecznie duÅ»ej próbki powinny mi na biegunie po"udniowym. Ekspe- Niezwyk"e olbrzymy jednoznacznie wskazaç po"oÅ»enie ich rymentatorzy wspó"pracujÄ… z AMAN- Ä™róde". DA (Antarctic Muon and Neutrino CzÄ…stki o tak wysokich energiach sta- Bardzo interesujÄ…ce jest dedukowa- Detector Array antarktycznym uk"a- nowiÄ… prawdziwÄ… zagadk´. Z jednej nie toÅ»samoĘci Ä™róde". Szeroki zakres dem detektorów mionów i neutrin) strony, dochodzÄ… prawdopodobnie spo- moÅ»liwoĘci dajÄ… trzy przedstawione wykrywajÄ…cym miony o wysokiej ener- za naszej Galaktyki, poniewaÅ» Å»aden ostatnio hipotezy: dysk akrecyjny wo- gii, powstajÄ…ce w tych samych p´kach znany galaktyczny mechanizm przy- kó" galaktycznej czarnej dziury, b"yski w wyniku obserwacji promieniowania spieszania nie móg"by ich wytworzyç, promieniowania oraz defekty topolo- Czerenkowa generowanego g"´boko a ponadto przychodzÄ… ze wszystkich giczne struktury WszechĘwiata. w lodowej czapie polarnej. G"ównym kierunków, chociaÅ» pole magnetyczne Astrofizycy przewidzieli, Å»e 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 Ä™ród"o nie moÅ»e byç bar- rii daleko w przestrzeÅ‚ mi´dzygalak- micznych akceleratorach, które mogÄ… dziej odleg"e niÅ» jakieĘ 30 mln lat Ęwietl- tycznÄ… z pr´dkoĘciami dochodzÄ…cymi generowaç po przejĘciu przez wn´trze nych w przeciwnym razie czÄ…stki te do osiÄ…ganej przez Ęwiat"o konieczne sÄ… Ziemi p´ki skierowane ku górze. utraci"yby swojÄ… energi´, oddzia"ujÄ…c czarne dziury o masach powyÅ»ej miliar- Poza gromadzeniem dok"adniejszych z globalnym t"em promieniowania mi- da mas S"oÅ‚ca, wsysajÄ…ce materi´ w jÄ…- danych naukowcy udoskonalajÄ… takÅ»e krofalowego pozosta"ego po narodzi- drach aktywnych galaktyk. Mapy takich symulacje komputerowe rozwoju p´- nach kosmosu w Wielkim Wybuchu. strug materii zosta"y sporzÄ…dzone za ków atmosferycznych. Modele pozwa- W relatywistycznym wszechĘwiecie, pomocÄ… radioteleskopów. Peter L. Bier- lajÄ… zrozumieç zarówno moÅ»liwoĘci, który zape"niajÄ… promienie kosmiczne mann z Instytutu Radioastronomicz- jak i ograniczenia pomiarów naziem- o najwyÅ»szych energiach, nawet poje- nego Maxa Plancka w Bonn wraz ze nych. Poszerzenie zakresu bezpoĘred- dynczy foton o cz´stoĘci radiowej ma wspó"pracownikami przypuszczajÄ…, Å»e nich pomiarów energii promieniowa- wystarczajÄ…co duÅ»o krzepy, by pozba- gorÄ…ce plamy widoczne w tych struk- nia kosmicznego pomoÅ»e w prowadze- wiç czÄ…stk´ wi´kszoĘci jej energii. turach radiowych sÄ… frontami fal ude- 40 ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 GEORGE KELVIN Uk"ad detektorów AGASA w Japonii ma obecnie powierzchni´ efektywnÄ… 200 km2, a nowy eksperyment w Utah zwany Fly s Eye HiRes (Oko Muchy o DuÅ»ej RozdzielczoĘci) pokryje powierzchni´ oko"o 1000 km2. KaÅ»dy z detektorów mo- Å»e rocznie wy"apaç jedynie kilka zdarzeÅ‚ o skrajnie wysokiej energii. W ciÄ…gu ostatnich kilku lat Cronin i Alan A. Watson z University of Leeds stan´li na czele przedsi´wzi´cia zmierza- jÄ…cego 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 powiÄ…zanych ze sobÄ… p´ków czÄ…stek pochodzÄ…cych od promieni kosmicznych. Planowana jest budowa na powierzchni 9000 km2 detek- torów, mogÄ…cych w ciÄ…gu roku zmierzyç setki wysokoenergetycznych zdarzeÅ‚. Powierzchni´ detektorów stanowiç b´- dzie wiele jednostek roz"oÅ»onych na siat- rzeniowych przyspieszajÄ…cymi promie- nych, jakie mog"yby powstaç we wcze- ce o pó"torakilometrowych okach. Po- nie kosmiczne do skrajnie wysokich snym WszechĘwiecie. Te hipotetyczne jedyncze zdarzenie moÅ»e zainicjowaç energii. IstniejÄ… oznaki, Å»e kierunki pro- obiekty sÄ…, jak si´ przypuszcza, siedli- sygna" w dziesiÄ…tkach jednostek. mieni kosmicznych o najwyÅ»szych ener- skiem pozosta"oĘci po wczeĘniejszej, bar- Konferencja poĘwi´cona realizacji Au- giach naĘladujÄ… 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, Å»e b"yski promieniowa- gnetyzm oraz jÄ…drowe oddzia"ywania podkreĘli"a moÅ»liwoĘci nowoczesnej tech- nia sÄ… Ä™ród"em wysokoenergetycz- s"abe i silne stanowi"y jednoĘç. MoÅ»na je niki w budowaniu takiego uk"adu; przy- nych promieni kosmicznych, wzi´"a si´ sobie w pewnym sensie wyobraziç jako k"adami jej sÄ… baterie s"oneczne, telefony z teorii wyjaĘniajÄ…cej 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 objÄ…ç pomia- Vietri z Obserwatorium Astronomicz- gdy równieÅ» wewnÄ…trz nich dochodzi rami ca"e niebo, planuje si´ zbudowanie nego w Rzymie oraz niezaleÅ»nie 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. Å»yli wysokÄ… zgodnoĘç pomi´dzy energiÄ… supermasywnych czÄ…stek rozpadajÄ…cych Podczas gdy naukowcy zmagajÄ… si´ wyzwalanÄ… podczas takich kataklizmów si´ natychmiast na strumienie czÄ…stek z problemami budowy i obs"ugi gigan- a potrzebnÄ… do utrzymania najwyÅ»szej 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. TraktujÄ… oni o skrajnie wysokich energiach. W tym natura moÅ»e wytworzyç czÄ…stki o jesz- fale uderzeniowe o bardzo wielkich scenariuszu te ostatnie sÄ… 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 istniejÄ… promienie ko- plozje jako kosmiczne akceleratory. skadach kosmologicznych czÄ…stek. smiczne o jeszcze wyÅ»szych energiach, Byç moÅ»e najbardziej interesujÄ…ca jest Jakiekolwiek by by"o Ä™ród"o tych pro- czy teÅ» moÅ»e juÅ» wykrywamy czÄ…stki hipoteza, wed"ug której czÄ…stki o najwyÅ»- mieni kosmicznych, prawdziwym wy- o najwyÅ»szych energiach, jakie nasz szych energiach zawdzi´czajÄ… istnienie zwaniem jest zebranie wystarczajÄ…cej ich WszechĘwiat potrafi wykreowaç? 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"niajÄ…ca JAMES W. CRONIN, THOMAS K. GAISSER i SIMON P. SWORDY pracujÄ… zarówno nad INTRODUCTION TO ULTRAHIGH ENERGY COSMIC RAY teoriÄ… powstawania promieni kosmicznych, jak i praktycznymi problemami zwiÄ…zanymi PHYSICS. Pierre Sokolsky; Addison-Wesley, 1988. z ich detekcjÄ… i analizÄ…. Cronin, profesor fizyki w University of Chicago od 1971 roku, COSMIC RAYS AND PARTICLE PHYSICS. Thomas K. obroni" prac´ magisterskÄ… w 1953 roku, a prac´ doktorskÄ… 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 miesiÄ…ce 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. ÂWIAT NAUKI Marzec 1997 41 STEVEN PETERZEN National Scientific Balloon Facility