— Published on 30/05/2021 / Bug.hr.
Podaci prikupljeni instrumentima opservatorija LHAASO pokazuju da se elektromagnetski spektar proteže do ultravisokih energija od 1,4 PeV što ujedno potvrđuje postojanje pevatrona u našoj galaksiji
Kad studentima govorim o elektromagnetskom spektru, koji se proteže od radiovalova do gama-zraka, obično spomenem da ne postoje oštre granice spektra: gdje počinju radiopodručje, a gdje završava gama-područje. Zapravo, sam početak elektromagnetskog spektra još možemo shvatiti kao granični slučaj u kojem valna duljina fotona ide u beskonačno (što zvuči malo zabrinjavajuće) odnosno energija fotona ide u nulu (što zvuči dosta razumno). No, eventualni kraj elektromagnetskog spektra vrlo je diskutabilan. Nema teorijskih naznaka da ikakav kraj postoji. S druge strane, foton vrlo male valne duljine, što znači vrlo velike energije, mora tu energiji dobiti u nekom procesu. Mehanizam nastanka fotona najviših energija nameće, dakle, neko ograničenje na najveću energiju. U praktičnom smislu onda postoji nekakav gornji "kraj", samo ne znamo gdje je.
Što kažu opažanja? Kozmičko gama-zračenje visokih energija opažamo detektorima na satelitima. Primjerice, satelit Fermi može opažati gama-zračenje od 20 MeV do najviše 300 GeV. Kozmičko gama-zračenje viših energija opaža se posredno, preko Čerenkovljevog zračenja koje u atmosferi stvore nabijene čestice visokih energija. Te nabijene čestice visokih energija, uglavnom elektroni i pozitroni, nastaju u pljuskovima čestica u atmosferi koji su inicirani kozmičkom gama-zrakom. Teleskope koji rade na tom principu nazivamo Čerenkovljevi teleskopi. Na svijetu ima svega nekoliko takvih teleskopskih sustava. Jedan od njih je MAGIC, na kojem radim već dva desetljeća. MAGIC opaža kozmičko gama-zračenje u području od otprilike 50 GeV do nekih 30 TeV. Čerenkovljev opservatorij H.E.S.S. ima višu gornju granicu, do otprilike 100 TeV. No, to je tek doseg Čerenkovljevih teleskopa, ne i kraj elektromagnetskog spektra. Koliko još ima dalje? Teorijski modeli predviđaju mehanizme kojima bi mogli nastajati fotoni još 10 ili 100 puta veće energije od dosega Čerenkovljevih teleskopa. To je energijsko područje iznad 1 PeV. Zato se mjesta na kojima bi nastajale čestice s takvim energijama zovu ekstremni kozmički akceleratori ili pevatroni.
MeV, GeV, TeV i PeV
Za one koji nisu na ti s pevima i pevatronima, evo male pedagoške digresije. Foton je čestica svjetlosti čija je energija umnožak frekvencije i Planckove konstante. Mjerna jedinica za energiju, u međunarodnom sustavu mjernih jedinica, je džul. No, za subatomski svijet, primjerice za elektrone i fotone, džul je neprikladna jedinica. Prevelika je. Zato uvodimo prikladniju jedinicu, elektronvolt. Taj elektronvolt odgovara energiji koju elektron dobije kad prođe razliku potencijala od jedan volt. Otprilike takvu energiju ima i jedan foton vidljive svjetlosti. To je red veličine. Ako baš želite preciznije: foton ljubičaste svjetlosti ima oko 3 eV, a foton crvene svjetlosti oko 2 eV. Iznad 3 eV pa sve do 1000 eV ultraljubičasto je područje. Za 1000 koristimo predmetak kilo pa 1000 eV skraćeno pišemo 1 keV. Taj 1 keV je, dogovorno, gornja granica ultraljubičastog područja. Nakon toga dolazi rendgensko područje. Ono se proteže od 1 keV do otprilike 100 keV. Sve iznad 100 keV je gama-područje.
U malo preciznijoj definiciji gama-područje počinje ne baš na 100 keV nego na 512 keV. To je, naime, energija koju dobije svaki od dvaju fotona nastalih u procesu anihilacije elektrona i pozitrona, kad su elektronu i pozitronu kinetičke energije zanemarive u odnosu na energiju mirovanja mc2. Tih 512 keV je upravo jednako mc2, gdje je m masa elektrona. To je, dakle, precizno određeni početak gama-područja elektromagnetskog spektra. No, do PeV je još jako daleko. Idemo redom.
Od 512 keV do 1 MeV je područje nižih i srednjih energija gama-zračenja. Takvo zračenje nastaje radioaktivnim gama-raspadima i prisutno je na Zemlji, iz prirodnih i umjetnih izvora. Predmetak M znači mega i iznosi milijun ili 106. Od 100 MeV do 100 GeV je gama-područje visokih energija. Njegovi izvori više nisu zemaljski nego kozmički. Predmetak G znači giga i iznosi milijardu ili 109. Od 100 GeV do 100 TeV je gama-područje vrlo visokih energija. Predmetak T je tera i iznosi bilijun ili 1012. I konačno, od 100 TeV do 100 PeV je gama-područje ultra visokih energija. Predmetak P je peta i iznosi bilijardu ili 1015. Kozmičke gama-izvore u području visokih energija opažamo satelitima, kakav je primjerice Fermi. Kozmičke gama-izvore u području vrlo visokih energija opažamo Čerenkovljevim teleskopima, kakav je primjerice MAGIC. A kozmičke gama-izvore u području ultra visokih energija... Pa njih dosad nismo opažali dok se nije pojavio LHAASO.
LHAASO
Akronim LHAASO dolazi od Large High Altitude Air Shower Observatory, što u slobodnijem prijevodu znači "veliki opservatorij za atmosferske pljuskove smješten na velikoj nadmorskoj visini". LHAASO se nalazi na Tibetskoj visoravni, u kineskoj pokrajni Sečuan, na nadmorskoj visini od čak 4410 m. Za usporedbu, MAGIC je na samo 2200 m. Poput MAGIC-a, i LHAASO kozmičko gama-zračenje opaža indirektno, zahvaljujući Čerenkovljevoj svjetlosti, ali postoji važna razlika. Čerenkovljeva svjetlost koju opaža MAGIC stvorena je visoko u atmosferi, dok je Čerenkovljeva svjetlost koju opaža LHAASO stvorena u velikim spremnicima vode na tlu. Zbog razlike u načinu detekcije različita su i energijska područja u kojima su instrumenti osjetljivi. LHAASO u stanju je opaziti gama-zrake od 100 GeV do otprilike 1 PeV. Najvažnija je činjenica da je taj instrument prvi put otvorio energijski prozor ultra visokih energija, od 100 TeV do 1 PeV.
Prema rezultatima koji su prošli tjedan objavljeni u časopisu Nature, LHAASO je vrlo pouzdano detektirao kozmičke zrake ultra visokih energija iz 12 galaktičkih izvora. Time je potvrđeno ne samo da se elektromagnetski spektar proteže do najmanje 1,4 PeV (što je rekordna detektirana energija jednog fotona), nego da unutar naše galaksije postoje ekstremni kozmički akceleratori, zvani pevatroni. Otkrivanje njihove prirode i njihovih mehanizama rada novi je izazov koji stoji pred astrofizičarima.