Pochodzenie promieni kosmicznych

Odkryte w 1912 roku promienie kosmiczne do dziś stanowią zagadkę. Skąd dokładnie pochodzą? Chociaż pewne jest, że promienie o ,,niskich'' energiach, powiedzmy poniżej 10¹¹ eV, są wytwarzane w źródłach wewnątrz naszej Galaktyki, to w miarę wzrostu energii problemy zaczynają się mnożyć. Aż do 10¹⁶ eV za promieniowanie kosmiczne mogą być odpowiedzialne pozostałości po supernowych, ale powyżej tej energii gubimy się w domysłach.

Przy najwyższych energiach zarejestrowanych do tej pory (3 10²⁰ eV), gdy pojedyncza cząstka ma energię taką jak masa 1 kg upuszczona z wysokości 5 m, problem pochodzenia promieniowania jest tak poważny, że wyjaśnia się go za pomocą niepokojąco egzotycznych procesów.

W niniejszej pracy zostanie przedstawiony obecny stan poszukiwań źródeł promieni kosmicznych.

1. Wstęp
Promienie kosmiczne odkrył Victor Hess w 1912 roku. Dzisiaj, w 87 lat później można powiedzieć, że pochodzenie całego promieniowania, za wyjątkiem jego najmniej energetycznej części, lub, bardziej precyzyjnie, sposób i miejsce w którym cząstki są przyspieszane, nadal w znacznej mierze pozostaje w sferze spekulacji. Celem niniejszej pracy jest próba przygotowania gruntu do dyskusji poprzez krótki opis astrofizycznych aspektów promieni kosmicznych -- rodzaju cząstek, energii, itp, oraz, po dokonaniu przeglądu możliwych źródeł promieniowania, przedstawienie własnych przewidywań autorów.

Na samym początku należy stwierdzić, że promieniowanie kosmiczne nie jest drobnym zjawiskiem w skali kosmicznej; gęstość energii w pierwotnym promieniowaniu powyżej ziemskiej atmosfery jest mniej więcej taka sama co gęstość energii w świetle słonecznym (oraz, jak zobaczymy, w innych procesach astronomicznych). Na raczej ograniczonym poziomie oddziaływania z ludzkimi organizmami można zauważyć, że w ciągu sekundy mniej więcej pięć wtórnych promieni (najczęściej mionów) przelatuje przez głowę każdego z nas. Naprawdę chcielibyśmy wiedzieć, skąd te cząstki pochodzą.

2.Własności pierwotnych promieni kosmicznych
2.1. Widmo energii i skład masowy
Chociaż pochodzenie promieni kosmicznych jest niejasne, ich własności są dość dobrze znane, rozpoczniemy od opisu tych własności.

Widma energetyczne głównych składników promieniowania kosmicznego są przedstawione na rysunku 1. Nie jest zaskoczeniem, że wśród jąder atomowych dominującą rolę odgrywają protony i jądra helu, wykryto też wiele innych jąder, dających mniejsze natężenie (o tym później). Kształt widma energetycznego zawiera informację o sposobie tworzenia cząstek i ich rozchodzeniu się. Zaczynając od najniższych energii, widzimy ,,zakrzywienie'' poniżej 10¹⁰ eV/nukleon, związane z modulacyjnym wpływem wiatru słonecznego, natężenie w tej części widma jest czułe na stan aktywności słonecznej. Przy wyższych energiach mamy dowody wskazujące na zależność potęgową ze stałym wykładnikiem (N(E) dE proporcjonalne do E^{- gamma} dE, gdzie gamma = 2,65) aż do energii około 10¹⁵ eV/nukleon, powyżej której gamma wzrasta do około 3,15. W końcu mamy nieźle udokumentowane, znaczące spłaszczenie widma powyżej około 10¹⁹ eV.

Skład masowy jest znany dość dobrze poniżej kilka 10¹⁰ eV/nukleon oraz, z mniejszą dokładnością, do około 1 TeV, na rysunku 2 przedstawiono porównanie rozpowszechnienia pierwiastków w promieniowaniu kosmicznym z rozpowszechnieniem dla ,,Układu Słonecznego'', czy też ,,uniwersalnym''. Można dostrzec znaczne podobieństwa, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę, że duży nadmiar po stronie promieniowania kosmicznego w obszarze Li, Be, B i Sc, Ti i V (oraz w kilku innych miejscach) może być łatwo wyjaśniony jako skutek rozpadu pobliskich, cięższych jąder podczas przejścia przez ośrodek międzygwiazdowy (patrz rozdział 2.2). Występuje jednak dziwny, trudny do zrozumienia niedobór H i He.

Jeśli chodzi o elektrony, rejestruje się zarówno cząstki jak i antycząstki, w rzeczywistości obserwowano także antyprotony, wytworzone w oddziaływaniach promieniowania kosmicznego z ośrodkiem międzygwiazdowym.

Promieniowanie gamma zarejestrowano zarówno w formie ogólnego kontinuum, jak i w postaci strumieni z poszczególnych, dyskretnych źródeł. Warto przypomnieć, że początkowo przyjmowano, iż ,,promieniowanie'' jest utworzone z jakiejś formy ultrapromieniowania gamma (stąd nazwa promieniowanie kosmiczne), chociaż w rzeczywistości, w obszarze do kilka razy 10⁹ eV (gdzie skupiona jest większa część energii), stosunek natężenia gamma do natężenia cząstek wynosi zaledwie 10^-6. Pomimo niewielkiego natężenia, promieniowanie gamma może nam wiele powiedzieć na temat ,,problemu źródeł''.

2.2. Zasięg przestrzenny promieni kosmicznych: oddziaływanie z ośrodkiem międzygwiazdowym
Pytanie o oddziaływania promieni kosmicznych z ośrodkiem międzygwiazdowym i ich wpływ na własności rejestrowanych cząstek można sprowadzić do podstawowego problemu: czy promienie kosmiczne są lokalnym zjawiskiem wewnątrz Galaktyki?

W wypadku składowej elektronowej natychmiastowa odpowiedź brzmi nie, ponieważ dominuje rozkład radiowego continuum, prawie na pewno związanego z promieniowaniem synchrotronowym kosmicznych elektronów poruszających się spiralnie w polu magnetycznym Galaktyki. W rzeczy samej, obserwacje radiowe wskazują na wytwarzanie elektronów w poszczególnych źródłach w różnych częściach Galaktyki, zaobserwowano oczywiście emisję także z innych galaktyk.

Sytuacja z dominującą składową jądrową (p, alfa, ...) jest bardziej złożona, a odpowiedź na postawione pytanie ściśle wiąże się z ogólnym problemem źródeł promieniowania. Uczynimy w tym miejscu kilka wstępnych uwag. Skalę odległości w Galaktyce z punktu widzenia promieniowania kosmicznego określa promień Larmora (ro[cm]= pc[eV]/ (300H[G]Z)), a ponieważ typowe pole w ośrodku międzygwiazdowym wynosi 3 muG, więc ro = p[10¹⁵ eV/c]/3Z parseków (1 parsek = 3 10¹⁸ cm = 3 lata świetlne). Obserwacje cząstek o pędach sięgających 10²⁰ eV/c wskazują, że przynajmniej te cząstki mogą być rozłożone w dużym obszarze (ro = kpc, nawet przy Z znacznie większych od 1) i wypełniać Galaktykę. Tę argumentację można rozciągnąć na niższe energie, być może do około 10¹⁶ eV, jednak w ważnym obszarze 10⁹ - 10¹⁰ eV, gdzie ro = 10^-6 pc (dla protonów), przestaje ona oczywiście obowiązywać i mogłoby się okazać, że cząstki te są tworzone lokalnie. Można jednak wymienić szereg argumentów na rzecz przeciwnego punktu widzenia:
(i) Promieniowanie w długich okresach czasu jest niemal stałe (np. zmienia się o mniej niż czynnik rzędu 2 na przestrzeni 10⁹ lat, w którym to czasie Układ Słoneczny pokonał mniej więcej czwartą część orbity wokół Galaktyki względem ogólnej populacji gwiazdowej.
ii) Niewykluczone, że źródła jąder mają podobny rozkład co źródła elektronów, nawet jeśli same źródła nie są identyczne.
iii) Wiele cech promieniowania można wyjaśnić za pomocą oddziaływania jąder promieniowania kosmicznego z jądrami ośrodka międzygwiazdowego podczas długich (rzędu 10⁷ lat) przelotów przez rozrzedzony gaz.

3. Pochodzenie niskoenergetycznych cząstek
3.1. Galaktyczne czy pozagalaktyczne?
Zjawisko, o którym wspomnieliśmy pod koniec poprzedniego rozdziału -- oddziaływanie promieni kosmicznych z gazem w ośrodku międzygwiazdowym, doprowadziło do wyjaśnienia pochodzenia najmniej energetycznej części promieniowania (E < 10¹⁰ eV), a przynajmniej do rozróżnienia między cząstkami pochodzenia galaktycznego i pozagalaktycznego.

Co do hipotezy pozagalaktycznej, to chociaż wymagania energetyczne są duże, nie ma zasadniczo przeszkód, aby protony promieniowania kosmicznego wypełniały wszechświat w miarę jednorodnie. Nie można tego powiedzieć o pozagalaktycznych elektronach, które ulegają absorpcji w odwrotnych oddziaływaniach komptonowskich z mikrofalowym promieniowaniem tła.

Grupa z Durham (Dodds i in., 1975) stwierdziła istnienie radialnego gradientu protonów promieniowania kosmicznego w Galaktyce (zanik natężenia przy wzroście odległości od centrum Galaktyki) za pomocą ,,techniki promieni gamma''. Istota tej metody polega na podzieleniu natężenia promieniowania gamma zmierzonego w wybranym kierunku przez gęstość kolumnową gazu wzdłuż tej linii. Ponieważ wiele promieni gamma powstaje w wyniku oddziaływania kosmicznych protonów z gazem, wynikiem jest średnie natężenie protonów promieniowania kosmicznego wzdłuż danej linii. Po początkowym okresie sceptycyzmu, obecnie wielu badaczy zgadza się z tymi wnioskami (np. Strong i Mattox, 1996).

Inną metodę zaproponował Ginzburg (1972), zmierzała ona do określenia średniego natężenia protonów w Wielkim Obłoku Magellana (LMC) przy pomocy techniki gamma i porównania tej wielkości z lokalnym natężeniem promieniowania kosmicznego. Równość wskazywałaby na pochodzenie pozagalaktyczne, gdyby natomiast natężenie w LMC było znacznie mniejsze, wnioskowalibyśmy o galaktycznym pochodzeniu lokalnych protonów promieniowania kosmicznego.

Do niedawna nie były dostępne satelitarne dane o wystarczarczającej czułości, jednak dzięki Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), a zwłaszcza umieszczonemu na nim detektorowi EGRET (Fichtel, 1982 i późniejsze prace), można obecnie przeprowadzić porównanie obu hipotez. Pierwsze opracowanie Sreekumara i in. (1992) wskazywało na równe natężenie w Galaktyce i LMC, jednak Chi i Wolfendale (1993) znaleźli wyraźną różnicę, natężenie protonów w LMC okazało się dużo mniejsze niż lokalnie. Przyczyna tej niezgodności nie jest w pełni wyjaśniona. Ulgę przynosi fakt, że obie grupy są zgodne w tym, że natężenie promieni kosmicznych w Małym Obłoku Magellana (SMC) jest dużo mniejsze niż lokalnie. Galaktyczne pochodzenie większości promieni jest zatem potwierdzone. Wyniki naszej najnowszej analizy przedstawia rys. 3.

3.2. Natura źródeł
Chociaż przedstawiliśmy już dowody na to, że pozostałości po supernowych są odpowiedzialne za niskoenergetyczne promieniowanie kosmiczne (np. Bhat i in., 1985, Osborne i in., 1995), sytuacja nadal nie jest całkiem jasna. Potrzebna jest kolejna generacja detektorów gamma (satelitarnych), które jednoznacznie potwierdziłyby istnienie rozbłysków gamma w otoczkach znanych pozostałości po supernowych.

3.3. Obszar TeV
Co prawda obszar TeV (1 TeV = 10¹² eV) nie leży tak naprawdę w niskoenergetycznej części widma, jednak pokrótce go tutaj omówimy. Do przełomu w tej dziedzinie doprowadziło użycie detektorów czułych na promieniowanie Czerenkowa, emitowane przez te spośród wtórnych elektronów w górnych warstwach atmosfery, które poruszają się szybciej niż prędkość światła w powietrzu. Technika ta pozwala na określenie źródeł promieni gamma o energiach z obszaru TeV. Do tej pory zidentyfikowano cztery pozostałości po supernowych (SN1006, Vela, Krab i PSR 1706-44 -- bez modulacji).

Zanim wysuniemy wniosek, że promienie gamma są wtórne w stosunku do protonów (i innych jąder) przyspieszanych w źródłach, musimy zaznaczyć, że energetyczne elektrony również mogą wytwarzać promienie gamma poprzez promieniowanie synchrotronowe, i wcale nie jest jasne, który mechanizm wchodzi tu w rachubę.

W gruncie rzeczy całą astronomię w dziedzinie gamma obciąża niepewny wkład elektronów, wytwarzających promieniowanie gamma w rozmaitych procesach. W pewnym sensie podobny problem dotyczy promieni kosmicznych w innych galaktykach -- wiemy, że nadchodzi z tych galaktyk sygnał radiowy, jednak z pewnością jest on związany z elektronami. Nie ma bezpośrednich danych o jądrach promieniowania kosmicznego w innych galaktykach (w opisanym wcześniej przypadku Obłoków Magellana dysponujemy górnym ograniczeniem na strumień protonów).

Wracając do promieni gamma, jedynie w obszarze 10⁸-10⁹ eV możemy obserwować charakterystyczny sygnał związany z protonami, dający się odróżnić od elektronów (tzw. pik mezonów pi). Przy wyższych energiach niejednoznaczność pozostaje.

4. Pochodzenie promieni kosmicznych w obszarze 10¹⁵ - 10¹⁶ eV
4.1. Problem
Na rysunku \ref{fig:spectra} widać ,,kolanko'' w pierwotnym widmie energetycznym, które, rzecz jasna, ma nam coś do powiedzenia na temat pochodzenia -- lub propagacji -- cząstek o tych energiach.

,,Kolanko'' jest znane od ponad 40 lat, odkąd Kulikov i Khristiansen (1958) zauważyli je w rozkładach rozmiarów dużych pęków atmosferycznych (pośredni sposób określenia energii pierwotnej). Większość badaczy uważała, że jest to efekt propagacyjny, wyjaśniano go przyjmując widmo produkcji cząstek zgodne z prostym prawem potęgowym, w połączeniu z coraz większą utratą cząstek pochodzących z Galaktyki, w miarę jak galaktyczne pole magnetyczne traci własności pułapkujące. My natomiast (Erlykin i Wolfendale, 1998 i kilka innych prac) zdecydowanie opowiadaliśmy się przeciwko temu stanowisku, na rzecz tezy, że kolanko jest oznaką innej składowej promieniowania kosmicznego, która przebija się przez gładko opadające ,,widmo tła''. Ponieważ niniejsza praca jest poświęcona nie rozwiązanym problemom, musimy uwzględnić to zagadnienie -- kierując się wyraźnym (jak dotąd) brakiem akceptacji naszej hipotezy.

4.2. Model pojedynczego źródła Erlykina-Wolfendale'a
Rysunek 4 pokazuje, w jaki sposób ,,wyjaśniamy kolanko''. Idea polega na tym, że cząstki są przyspieszane przez pobliską, pojedynczą pozostałość po supernowej, a kształt widma tłumaczą charakterystyczne, ostro ,,wypikowane'' (przy sposobie, w jakim je wykreśliliśmy, używając wielkości E³I(E)) widma istotnych pierwiastków: tlenu i żelaza (za samo kolanko w dużej mierze odpowiedzialny jest właśnie tlen).

W tej pięknej teorii, która, naszym zdaniem, tłumaczy wiele danych dotyczących promieniowania kosmicznego, kryje się pewien problem. Brzmi on: gdzie w rzeczywistości jest ta supernowa? Jest niewielu kandydatów do tej roli, ale jak dotąd zidentyfikowanie właściwego nie było możliwe.

,,Dymiący rewolwer'' wciąż nie został odkryty. Pomimo to wytrwale analizujemy wszelkie dane na temat promieniowania kosmicznego w tym przedziale energii, gdy tylko staną się publicznie dostępne. Rysunek 5 pochodzi z naszej najnowszej pracy (Erlykin i Wolfendale, 1999), naszym zdaniem wyraźnie ukazuje on pik powyżej przewidywań tradycyjnego modelu modulacji galaktycznej.

Jeśli nasz model jest poprawny, to możliwe, że w przyszłości natężenie promieniowania kosmicznego będzie rosło w miarę przybliżania się otoczki supernowej, o ile rzeczywiście jesteśmy po jej zewnętrznej stronie.

5. Promienie kosmiczne o najwyższych energiach
5.1. Problem anizotropii
Gdyby wszystkie promienie kosmiczne docierały ze źródeł w naszej Galaktyce, wówczas anizotropia (czyli niejednorodny rozkład kierunków przychodzących promieni) znacznie przewyższałaby obserwowaną -- przynajmniej w obszarze powyżej 10¹⁹ eV -- bez względu na naturę samych cząstek. Wobec tego wydaje się bardzo prawdopodobne, że te cząstki o ultrawysokiej energii, sięgającej 3 10²⁰ eV (Bird i in., 1995), a być może jeszcze dalej, pochodzą ze źródeł pozagalaktycznych. Poważne wątpliwości dotyczą samej natury tych źródeł.

Możemy wyróżnić dwa mechanizmy przyspieszania cząstek: wstępujący lub zstępujący. Pierwszy dotyczy cząstek, które w jakiś sposób zostały przyspieszone od niskich energii -- na podobnej zasadzie, jak w obszarze niskoenergetycznym działają pozostałości po supernowych. W modelu zstępującym postuluje się, że jakieś egzotyczne, masywne cząstki ulegają rozpadowi, dając w wyniku cząstki ultraenergetyczne. Po kolei rozważymy obie możliwości, po zbadaniu efektu wszechobecnego mikrofalowego tła -- które jest reliktem Wielkiego Wybuchu.

5.2. Mikrofalowe obcięcie
Obecność kosmicznego mikrofalowego tła o temperaturze 2,7 K jest przyczyną bardzo interesującego zjawiska: gdyby promienie kosmiczne o ultrawysokich energiach pochodziły ze Wszechświata, wówczas ich zmierzone natężenie powinno gwałtownie maleć przy energii około 6 10¹⁹ eV, gdzie oddziaływanie protonów z mikrofalowym tłem staje się duże. W rzeczywistości nie ma żadnych dowodów na istnienie tego zaniku, przy tej energii natężenie (rysunek 1) maleje wolniej niż by się tego oczekiwało. Wspomniane oddziaływania powodują utratę energii, która może zostać przekształcona na promieniowanie gamma. Zatem rejestrowane w rzeczywistości cząstki o wyższej energii muszą pochodzić ze źródeł odległych o mniej niż kilkadziesiąt Mpc. Podobna sytuacja dotyczy ciężkich jąder, które rozpadają się na zbliżonej odległości.

Fakt, że źródła powinny być ,,lokalne'' (jeśli są dyskretne) oznacza, że zasadniczo jest większa sansa na ich wykrycie, co wynika z niewątpliwej obecności pozagalaktycznego pola magnetycznego, które przypadkowo zmienia kierunki bardziej odległych źródeł.

Przedstawimy teraz postępy w poszukiwaniu lokalnych źródeł promieniowania.

5.3. Dowody istnienia konkretnych źródeł pozagalaktycznych: zderzenia galaktyk?
Konsekwencją mechanizmu wstępującego byłoby zapewne umiejscowienie widomych ,,źródeł'' cząstek pozagalaktycznych w dość szczególnych miejscach kosmosu (galaktyki określonych typów, itp).

Poszukiwanie źródeł pozagalaktycznych ma zagmatwaną historię, a najlepszym jej podsumowaniem byłoby zdanie ,,dziś tu, jutro tam''. Wielu specjalistów w tej dziedzinie nie miałoby zapewne zastrzeżeń wobec rysunku 6 (z: Al-Dargazelli i in., 1996), gdzie oznaczone są te części nieba, z których, jak się wydaje, dociera nieco więcej promieni niż by to wynikało z czysto jednorodnego, czyli izotropowego, rozkładu. Pamiętamy, że przy tych energiach (ponad 10¹⁹ eV) zmiany kierunku wewnątrz Galaktyki i w przestrzeni pozagalaktycznej do odległości 20 Mpc, czyli około 0,4 % ,,promienia'' Wszechświata, powinny być niewielkie.

Gdy już rozpoznaliśmy (być może) kierunki do domniemanych źródeł, stajemy przed pytaniem -- czym są te źródła? W dopuszczalnych granicach błędu leży wiele galaktyk, dlatego powinniśmy być konkretni i szukać możliwych do wyobrażenia, choć rzadkich obiektów. Do odległości 20 Mpc najlepszym co możemy wymyślić są ,,zderzające się galaktyki''. Do 10 Mpc jest dziewięć takich par galaktyk, z czego trzy leżą w obszarach A, B i C (po jednej w każdym z obszarów). W zakresie 10-20 Mpc znaleziono 10 kolejnych, z których pięć leży w obszarach A lub B. Statystycznie rzecz biorąc, wygląda to znakomicie.

Jest jednak pewien problem: ,,na czym polega mechanizm?'' Możliwe, że związane z galaktykami pole magnetyczne działa podczas zderzeń ,,aż do skutku''. W szczególności, wchodzi tu w rachubę tzw. proces rekoneksji (reconnection), który zapewne występuje na Słońcu, oczywiście przy znacznie niższych energiach. Kłopot w tym, jaka jest prawdopodobna wielkość pola magnetycznego i rozmiary układu, przy których pole jest koherentne. Przy pomocy równania podanego w rozdziale 2.2: ro = p[10¹⁵eV/c]/3Z parseków otrzymujemy, że p[10²⁰eV/c]=0,3 Z ro[Mpc]. Równanie to jest zapisane dla 3 muG. Gdy pole wynosi 0,3 muG (wielkość bardziej prawdopodobna), to po zamianie pędu na energię mamy E[10²⁰eV]=3 Z ro[Mpc]. Dla największego wchodzącego w grę ładunku, żelaza, Z=26, przy ro=10 kpc (czyli ro[Mpc]=0,01) wartość E (w jednostkach 10²⁰ eV) równa jest jedności. Oznacza to, że cząstka o takiej energii miałaby promień krzywizny równy 10 kpc, co jest przypuszczalnie największą odległością, na jakiej pole magnetyczne może być koherentne. Mechanizm przyspieszający mógłby, przypuszczalnie, osiągnąć taką energię, chociaż wydaje się to wątpliwe (zauważmy, że w wypadku przyspieszania przez pozostałości po supernowych maksymalna energia jest wyraźnie mniejsza, niż można oszacować przy pomocy tego typu prostej teorii).

Mimo tych wszystkich uwag pomysł ze zderzającymi się galaktykami jest najlepszym, jaki możemy zaproponować.

Inni badacze wysuwali hipotezę, że za największe energie odpowiedzialne są ,,aktywne jądra galaktyk'' (np. Wiebel-Sooth i Biermann, 1999), jednak również w tym przypadku jakościowe oszacowanie spodziewanej energii cząstek jest trudne. Co więcej, ,,w okolicy'' jest tak wiele aktywnych jąder galaktyk, że wykrycie prawdziwych koincydencji byłoby kłopotliwe. W rozpatrywanym obszarze (do kilkudziesięciu Mpc) nie ma narzucających się, superenergetycznych obiektów. Poszukiwania trwają.

5.4. Mechanizm zstępujący
5.4.1. Struny kosmiczne
Zaproponowano kilka egzotycznych mechanizmów, które w zasadzie mogłyby być odpowiedzialne za promienie kosmiczne o ultrawysokich energiach. Najpierw omówimy ,,struny kosmiczne''. Topologiczne defekty struktury wszechświata mogą istnieć i manifestować się jako struny kosmiczne, na co zwrócił uwagę Vilenkin (1985) i inni.

Bhattarjee i Rana (1990) i inni zapostulowali, że struny zawierają niezwykle zagęszczone obszary ,,cząstek X'' o masach rzędu 10¹⁵ GeV (skala energii odpowiadająca Teorii Wielkiej Unifikacji). Cząstki X mogą zostać ,,wytrząśnięte'', gdy struny się przecinają lub zapadają.

Cząstki X, które uprzednio były stabilne w studni potencjału związanej z ich ogromną gęstością masy (rzędu 10²² g cm^-1), mogą wówczas rozpaść się na szereg cząstek, w tym na protony. Możliwe, że dadzą odpowiednie widmo energetyczne, a maksymalna energia protonów z pewnością będzie na tyle duża, żeby wytłumaczyć obserwacje.

Jest jednak pewien problem, związany ze schematem rozpadu cząstek X. Wydaje się, że podczas rozpadu w znacznych ilościach powinny być produkowane promienie gamma, w szczególności stosunek ilości promieni gamma do protonów wynosiłby około 30 (patrz Chi i in., 1993). Promienie gamma powinny rozprzestrzenić się po wszechświecie i dać się zarejestrować; w rzeczywistości jest inaczej. Możemy uniknąć tej trudności zakładając, że ultraenergetyczne promienie kosmiczne nie są protonami (lub jądrami), lecz właśnie promieniami gamma! Możliwość taka, chociaż nie jest wykluczona, wydaje się bardzo mało prawdopodobna.

5.4.2. Ciemna materia: ,,kryptony''
W astronomii jest regułą, że gdy wszystko inne zawodzi, przywołuje się czarne dziury lub ciemną materię -- albo jedno i drugie! Nie inaczej jest w tym przypadku. Zaproponowano, że ,,ciemna materia'' otaczająca Galaktykę zawiera ,,kryptony'' (Berezinsky i in., 1998, Birkel i Sarkar, 1998). Przypuszcza się, że kryptony mają masę rzędu 10¹² GeV i czas życia > 10¹⁶ lat (czyli więcej niż ,,wiek'' Wszechświata). One również mogą rozpadać się na protony i tłumaczyć, przynajmniej w zasadzie, istnienie ultraenergetycznych promieni kosmicznych.

Tę piękną ideę wciąż podzielają niektórzy badacze, autorzy niniejszej pracy nie są jednak do niej przekonani. Problem dotyczy oczekiwanej anizotropii promieniowania. Gdyby halo było odpowiednio duże -- wielokrotnie większe od ,,promienia'' Galaktyki -- przewidywana anizotropia byłaby mała i do przyjęcia, jednak wydaje się, że jest inaczej. W związku z tym Benson i in. (1999) wysnuli wniosek, że nawet dochodząc do 10²⁰ eV mechanizm ten może dawać jedynie 10 % ultraenergetycznych promieni kosmicznych.

6. Wnioski
Z przedstawionej tu dyskusji wynika, że nasza znajomość pochodzenia promieni kosmicznych jest zaskakująco słaba.

Promienie kosmiczne odkryto w 1912 roku i od tego czasu intensywnie je badano, jednak umiarkowane powodzenie odnieśliśmy tylko do około $10^{16}$ eV, czyli brakuje siedmiu rzędów wielkości do osiągnięcia wszystkich 12 (przyjmowany obecnie zakres ,,promieni kosmicznych'' wynosi 10⁹ - 10²¹ eV). Nawet w obszarze poniżej 10¹⁶ eV dowody są rzeczywiście niepodważalne jedynie do około 10¹¹ eV. My (autorzy) jesteśmy raczej pewni aż do 10¹⁶ eV, ale większość innych badaczy nie jest! Jednak wszyscy są zgodni, że model pozostałości po supernowych sam w sobie jest niezły w tym zakresie energii, brakuje jedynie mocnego potwierdzenia tego modelu.

Poważne kłopoty zaczynają się powyżej 10¹⁶ eV. Można powiedzieć, że gdyby nie odkryto żadnych cząstek o takich energiach, nikt by się ich nie spodziewał!

Większość badaczy zgadza się, że źródła galaktyczne jakiegoś rodzaju -- wiele z nich produkuje jądra żelaza -- dominują do kilka 10¹⁸ eV. Powyżej 10¹⁹ eV większą część stanowią niemal na pewno cząstki pozagalaktyczne. Jakie są ich źródła i w jaki sposób cząstki są w nich przyspieszane, tego po prostu nie wiemy.

Tłumaczenie: Maciej Piętka

Bibliografia
1. S. S. Al-Dargazelli i in., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 22, 1825 (1996)
2. F. Arqueros i in., Astron. Astrophys., w druku (1999)
3. A. Benson, A. Smialkowski, A. W. Wolfendale, Astropart. Phys. 10, 313 (1999)
4. V. Berezinsky, B. Pasquale, A. Vilenkin, Preprint astro-ph/980327 v2, 8 maja 1998
5. C. L. Bhat i in., Nature 314, 515 (1985)
6. P. Bhattacharjee, N. C. Rana, Phys. Lett. B 246, 365 (1990)
7. D. J. Bird i in., Preprint Astrophys. J. 441, 144 (1995)
8. M. Birkel, S. Sarkar, hep/ph 9804285 v2, 1998
9. X. Chi, A. W. Wolfendale, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 19, 795 (1993)
10. X. Chi i in., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 18, 539 (1992)
11. X. Chi i in., Astropart. Phys. 1, 239 (1993)
12. D. Dodds, A. W. Strong, A. W. Wolfendale, Mon. Not. R. Astron. Soc. 171, 569 (1975)
13. A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale, Astropart. Phys. 8, 265 (1998)
14. A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale, Astron. Astrophys., w druku (1999)
15. C. E. Fichtel, NASA Technical Memo No 83957, 1982
16. V. L. Ginzburg, Nature (Phys. Sci. Suppl.) 239, 8 (1972)
17. N. Hayashida i in., Phys. Rev. Lett. 73, 3491 (1994)
18. N. Hayashida i in., Phys. Rev. 77, 1000 (1996)
19. G. V. Kulikov, G. B. Khristiansen, Sov. Phys.-JETP 35, 635 (1958)
20. J. L. Osborne, A. W. Wolfendale, L. Zhang, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 21, 429 (1995)
21. P. Sreekumar i in., Astrophys. J. 400, L67 (1992)
22. T. Stanev i in., Phys. Rev. Lett. 75, 3056 (1995)
23. A. W. Strong, J. R. Mattox, Astron. Astrophys. 308, L21 (1996)
24. A. Vilenkin, Phys. Rep. 121, 263 (1985)
25. T. Wibig, A. W. Wolfendale, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 25, 1099 (1999)
26. B. Wiebel-Sooth, P. L. Biermann, Astronomy and Astrophysics -- ISM, Galaxy, Universe, Landolt-Börnstein, Group VI, t. 3, sub-vol C, Springer, Berlin 1999, str. 37