Przez Wszechświat na złamanie karku, czyli Oh-My-God i Amaterasu

Trzy dni temu świat obiegła wiadomość, że 27 maja 2021 r. detektor ulokowany w stanie Utah w USA, pracujący w ramach międzynarodowego projektu Telescope Array, wykrył cząstkę promieniowania kosmicznego o energii szacowanej na ok. 240 EeV. Było to najbardziej imponujące odkrycie tego typu od 1991 r., kiedy zaobserwowano cząstkę nazwaną Oh-My-God o energii jeszcze większej: 320 EeV. Po dwóch latach analizowania danych obserwację opublikowano 23 listopada 2023 r. w czasopiśmie Science. Cząstkę, która z takim impetem dała o sobie znać, nazwano imieniem  japońskiej bogini słońca Amaterasu, co można przetłumaczyć jako „świecąca na niebie”. Opisał ją bowiem zespół kierowany przez japońskiego astronoma Toshihiro Fujii z Uniwersytetu w Osace.

Co to właściwie jest EeV, czyli eksaelektronowolt?  Przedrostek eksa- dodany do nazwy jednostki oznacza pomnożenie wartości tej jednostki przez 1018, czyli przez trylion. A zatem jeden eksaelektronowolt to trylion elektronowoltów. Ale co to jest elektronowolt? Jednostką tą chętnie posługuje się fizyka cząstek, bo wszelkie swobodne cząstki naładowane elektrycznie mają ładunek stanowiący całkowitą (dodatnią lub ujemną) wielokrotność ładunku elementarnego e. Jest on równy ładunkowi protonu (+1 e), a także ładunkowi elektronu, tyle że ze znakiem przeciwnym (−1 e). Jeden elektronowolt to energia, jaką uzyskuje elektron lub proton przyśpieszany w próżni pod wpływem różnicy potencjału elektrycznego 1 V. W przeliczeniu na układ SI energia ta wydaje się znikoma: 1 eV = 1,6 × 10−19 J, czyli sześć razy mniej niż jedna trylionowa dżula. Ale pamiętajmy, że mówimy o cząstkach subatomowych, a w ich świecie coś, co wydaje nam się niemal nieskończenie małe, może się jednak liczyć.

Ryc. 1.

Żeby laikom trudniej było zrozumieć, o czym mówią fizycy, elektronowolt i jego pochodne (megaelektronowolt, gigaelektronowolt itd.) służą także do określania masy cząstek. Dlaczego, skoro są jednostkami energii? Dlatego, że masa i energia są z sobą związane wzorem Einsteina: E = mc2. Cząstka nawet w spoczynku (czyli nieporuszająca się względem obserwatora) posiada „uwięzioną” energię własną, utożsamianą z jej masą pomnożoną przez prędkość światła do kwadratu. A ponieważ fizycy lubią myśleć o stałej c jako o naturalnej jednostce (na dodatek wygodnej, bo światło ma tę samą prędkość w dowolnym układzie odniesienia), to podzieliwszy 1 eV przez c2, otrzymują jednostkę masy równoważną energii 1 elektronowolta. Masa ta w układzie SI ma wartość 1,783 × 10−36 kg, czyli bardzo mało (prawie miliard razy mniej niż masa protonu). Nieformalny skrót myślowy (potraktowanie wartości c jako jedności) pozwala także tę jednostkę masy nazywać elektronowoltem.

Na mocy tego uproszczenia mówi się na przykład, że masa elektronu wynosi ok. 0,511 MeV (czyli 511000 eV). Jeśli zależy nam na ścisłości, to powiemy, że masa ta wynosi naprawdę 0,511 MeV/c2 = 9,11 × 10−31 kg. Masa protonu to z kolei równoważnik ok. 938 MeV, czyli 1,67 × 10−27 kg.

Czym była cząstka Amaterasu? Nie wiadomo dokładnie, ale tzw. pierwotne promieniowanie kosmiczne, zanim zderzy się z atmosferą Ziemi i wygeneruje kaskady cząstek promieniowania wtórnego wykrywanych przez naziemne detektory, składa się w 90% z protonów. Oprócz nich 9% stanowią jądra helu 4He, czyli cząstki alfa (złożone z 2 protonów i 2 neutronów, niosące ładunek 2 e), a reszta (1%) to swobodne elektrony i jądra pierwiastków cięższych niż hel. Jest zatem dość prawdopodobne, że Amaterasu to po prostu proton rozpędzony tak szaleńczo, że jego energia kinetyczna (w układzie odniesienia związanym z Ziemią) wyniosła 240 trylionów elektronowoltów (256 miliardów razy więcej niż energia „spoczynkowa” równoważna jego masie).

Czy można tę energię jakoś unaocznić? Oczywiście. Ponieważ 1 eV to 1,6 × 10−19 J, łatwo przeliczyć energię Amaterasu na dżule. Wychodzi mniej więcej 38 J (a dla cząstki Oh-My-God aż 51 J). Jest to energia całkiem poważna. Piłka tenisowa ma masę ok. 56 g. Żeby jej nadać energię kinetyczną taką, jaką miała cząstka Amaterasu, trzeba ją rozpędzić do prędkości 37 m/s, czyli 133 km/h. Prędkość tego rzędu ma piłka zaserwowana z dużą siłą przez tenisistę. Pamiętajmy przy tym, że Amaterasu nie była piłką tenisową, ale protonem lub w najlepszym razie niezbyt wielkim jądrem atomowym (do żelaza włącznie). Za jej energię kinetyczną odpowiada nie masa, ale ogromna prędkość.

Jak nas uczy fizyka relatywistyczna, wzór na energię kinetyczną ciała o masie m poruszającego się z prędkością v, Ek = mv2/2, daje wynik zgodny z obserwacjami dla piłek tenisowych i innych obiektów poruszających się znacznie wolniej niż światło. Dla wielkich prędkości trzeba go zastąpić wzorem dokładniejszym, wynikającym z teorii względności. Całkowita energia ciała poruszającego się względem obserwatora z prędkością v wynosi E = mc2/√(1 – v2/c2) i rośnie nieograniczenie w miarę, jak v zbliża się do c. Od tej wartości powinniśmy odjąć energię spoczynkową (równoważnik masy) równą mc2, żeby otrzymać samą energię kinetyczną, czyli związaną z ruchem ciała. Ostatecznie mamy zatem wzór relatywistyczny na energię kinetyczną: Ek = (1/√(1 – v2/c2) − 1) mc2 (dla małych prędkości zbieżny ze wzorem klasycznym). Jednak dla prędkości naprawdę bliskich c składnik kinetyczny dominuje tak bardzo, że składnik spoczynkowy można z czystym sumieniem pominąć i przyjąć, że EkE.

W innym wpisie pokazywałem, że Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) rozpędza protony do prędkości 0,99999999 c (względem ścian kolistego tunelu), czyli zaledwie 3,1 m/s poniżej prędkości światła. Wymaga to nadania każdemu protonowi energii 6,5 TeV, czyli 6,5 biliona elektronowoltów. To na razie szczyt możliwości ludzkich w tej dziedzinie. Energia Amaterasu była 37 milionów razy większa. Jaką prędkość musi mieć pojedynczy proton, żeby uzyskać energię kinetyczną piłki tenisowej zaserwowanej z dużym rozmachem? Z prostych obliczeń wychodzi 0,99999999999999999999999236 c. Jest to prawie prędkość światła, ale tylko prawie, bo z prędkością ściśle równą c mogą – a właściwie muszą się poruszać jedynie cząstki bezmasowe, niezdolne do pozostawania w spoczynku (takie jak foton). Różnica wynosi nieco ponad dwa femtometry (bilionowe części milimetra) na sekundę albo, jeśli kto woli, ok. 0,00007 mm na rok. Foton ścigający się z takim protonem wyprzedziłby go o 7 cm po milionie lat. Gdyby Amaterasu nie była protonem, ale np. jądrem żelaza o masie 56 razy większej, to różnica między jej prędkością a prędkością światła byłaby nieco większa, ale i tak znikoma.

Istnieje pewne teoretyczne ograniczenie na energię cząstki, która dociera na Ziemię z bardzo dalekich obszarów kosmosu (oddalonych o setki milionów lub miliardy lat świetlnych). Wynosi ono ok. 50 EeV. Cząstka o większej energii wytraciłaby w końcu jej część wskutek oddziaływania z fotonami mikrofalowego promieniowania tła. Wysnuwa się stąd wniosek, że cząstki kilkakrotnie przekraczające ten limit, takie jak Oh-My-God lub Amaterasu, musiały powstać stosunkowo blisko, np. kilkadziesiąt  milionów lat świetlnych od Ziemi. A ponieważ poruszają się one po torach niemal prostych, to można się pokusić o namierzenie na niebie ich źródła. Pomogłoby to wyjaśnić, jaki proces fizyczny wyprodukował takie kosmiczne monstra. Supernowa to za mało; bardziej prawdopodobnymi kandydatami byłyby dżety gorącej plazmy wyrzucane przez supermasywne czarne dziury w aktywnych jądrach galaktyk, a może kosmiczne kataklizmy w rodzaju rozerwania ciężkiej gwiazdy w kolizji z czarną dziurą.

Ryc. 2.

Obliczenia wskazały kierunek, z którego przybyła Amaterasu, ale ku zaskoczeniu zespołu odkrywców okazało się, że leży on w obrębie Pustki Lokalnej, „kosmicznej pustyni″ zaczynającej się nieopodal Grupy Lokalnej, do której należy Droga Mleczna. Jak okiem sięgnąć, nie widać tam nic szczególnego. Nie ma tam wielu galaktyk w odległościach mniejszych niż setki milionów lat świetlnych. Nawet zakładając, że pola magnetyczne w przestrzeni międzygalaktycznej mogą minimalnie zakrzywiać tory naładowanych cząstek ultraenergetycznych, i biorąc pod uwagę stosowne poprawki, nie znaleziono obiecujących kandydatów na potencjalne źródło Amaterasu. Podejrzenie, że cząstki tego typu powstają w jakichś egzotycznych procesach wymagających zrewidowania podstaw fizyki, jest ekscytujące, ale zapewne przedwczesne.

Cząstki o energii powyżej 100 EeV są skrajnie rzadkie. Szacuje się, że w każdy kilometr kwadratowy Ziemi jedna taka cząstka uderza rzadziej niż raz na sto lat. Od czasu do czasu udaje się je wykryć dzięki temu, że obserwatoria pokrywają spory obszar – ponad 700 km2 w przypadku Telescope Array. Częstsze są cząstki nieco mniej rozpędzone, ale i tak przekraczające wspomniany powyżej limit 50 EeV; zaobserwowano ich dotąd kilkadziesiąt. Rozbudowa sieci detektorów być może zwielokrotni liczbę obserwacji na tyle, że rzucą one jakieś światło na pochodzenie tych ekstremalnych składników promieniowania kosmicznego.

Opisy ilustracji

Ryc. 1: Jeden z detektorów systemu Telescope Array w stanie Utah. Źródło: Abu-Zayyad et. al. 2012 (licencja CC BY-NC-ND 3.0).
Ryc. 2: Ograniczenie Greisena–Zacepina–Kuźmina (GZK), sformułowane w 1966 r.: cząstki promieniowania kosmicznego pochodzące z bardzo dalekich źródeł nie powinny przekraczać energii 50 EeV, czyli około 8 dżuli.

Lektura dodatkowa

Omówienie artykułu z Science na łamach Nature: https://www.nature.com/articles/d41586-023-03677-0
Zagadka cząstek typu Amaterasu: https://arstechnica.com/science/2023/11/meet-amaterasu-astronomers-detect-highest-energy-cosmic-ray-since-1991/

2 thoughts on “Przez Wszechświat na złamanie karku, czyli Oh-My-God i Amaterasu

  1. A jakie konsekwencje biologiczne byłyby podczas kontaktu takiej cząsteczki z człowiekiem ?

    • Podejrzewam, że proton o takiej energii przeszedłby przez tkanki jak przez masło, po drodze jonizując w nich atomy, więc człowiek odczułby coś w rodzaju lekkiego wstrząsu elektrycznego (prawdopodobieństwo zderzenia “na czołówkę” z jądrem któregoś z atomów ciała byłoby znikome). W praktyce proton uderza najpierw w atmosferę i generuje lawinę cząstek, które dzielą między siebie jego energię i pęd. To właśnie to rozproszone promieniowanie wtórne dociera do detektorów i na jego podstawie rekonstruuje się właściwości cząstki promieniowania pierwotnego. Astronauci często opowiadają o “błyskach światła”, które “widzą” podczas lotów nawet z zamkniętymi oczami – raz czy dwa na minutę. To są właśnie przeloty naładowanych cząstek promieniowania kosmicznego, okazyjnie przenikających przez kadłub statku i drażniących neurony.

      Uwaga terminologiczna: cząsteczka (molekuła) to połączenie atomów stanowiące “cegiełkę” związku chemicznego. Protony, neutrony, elektrony, fotony itp. to cząstki. Jeśli nie składają się z innych cząstek (jak elektron, kwark, foton czy neutrino), to nazywamy je cząstkami elementarnymi (nie cząsteczkami). Neutrony i protony nie są elementarne, bo składają się z kwarków.

      3

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *