Gåden om ekstremt energirig kosmisk stråling er løst

Hvor kommer de dog fra?

Det spørgsmål har plaget astronomerne lige siden Fly?s Eye detektoren i Utah i 1991 opdagede, at den øvre atmosfære var blevet ramt af en partikel med en energi på 3 x 1.020 elektronvolt. Det er 30 millioner gange mere end den energi, som Cerns nye LHC accelerator kan producere.

Eller sagt på en anden måde: Der var tale om en subatomar partikel med en kraft som en mursten, der falder ned fra et højhus. Astronomerne, som opdagede monstret, var ved at falde bagover af overraskelse og fandt spontant på navnet "Oh, my God partiklen!"

Lige siden har astronomer og astrofysikere ledt efter kilderne til ekstremt energirige partikler fra det ydre rum.

Kvasarer er en oplagt kandidat
Fra starten var det klart, at ikke engang eksploderende supernovaer i Mælkevejen har kraft nok til at accelerere partikler til så høje energier. En oplagt kandidat var kvasarer - de fjerne og energirige galakser, som opstod i universets barndom - men her var der et andet problem.

Teoretiske beregninger viser nemlig, at partikler med energier på over 40 exa-elektronvolt (1 EeV = 1018 eV) mister energi ved sammenstød med fotonerne i den kosmiske baggrundsstråling og derfor højst kan holde dampen oppe på en rejse gennem rummet på 300 millioner lysår.

Inden for den afstand findes der ingen kvasarer, og med det i baghovedet har astrofysikere lanceret flere eksotiske teorier. Et par eksempler:

Måske kom strålingen alligevel fra kvasarer. I givet fald bestod den ikke af almindelige partikler, men af supersymmetriske partikler; en slags skyggestof, hvis eksistens forudsiges af den fysiske teori.

Supersymmetriske partikler vekselvirker ikke med baggrundsstrålingen og kan derfor rejse helt fra udkanten af det synlige univers uden at miste energi. En anden hypotese gik ud på, at den energirige kosmiske stråling skyldes henfaldsprodukter af uhyrligt tunge partikler, som i følge nogle kosmologiske modeller blev dannet ved Big Bang, og som fortsat skjuler sig rundt omkring i galakserne, herunder Mælkevejen.

Kæmpemæssigt observatorium

Nu viser en serie observationer fra januar 2004 og frem til den 31. august i år, at der er en mere jordnær forklaring. De ekstremt energirige partikler er, efter alt at dømme, protoner, som med 99 procents sandsynlighed stammer fra aktive galaksekerner, der befinder sig mindre end 250 millioner lysår herfra.

De aktive galaksekerner rummer supertunge sorte huller, som er omkredset af skyer af støv og gas, der hvirvler rundt om hullet som vand på vej ned i afløbet i et badekar.

I dødsspiralen dannes der magnetfelter, som accelererer partikler op til ekstreme energier.

Gåden om de ekstremt energirige partikler i den kosmiske stråling blev løst af et internationalt team bestående af 300 astronomer ved Pierre Auger Observatoriet i Argentina.

Observatoriet har 24 optiske teleskoper og mere end 1.300 vanddetektorer, der er spredt ud over et areal på størrelse med Fyn. Når teleskopet er så stort, skyldes det, at de mest energirige kosmiske stråler er sjældne, og derfor skal teleskopet dække en stor del af himlen for at fange et rimeligt antal af dem.

Når en energirig partikel fra rummet rammer et atom i den øvre atmosfære, udsendes en kaskade af partikler, der danner et mange kilometer langt fluorescerende spor gennem atmosfæren. Sporet kan ses af de optiske teleskoper på klare nætter uden måneskin, og ud fra sporets retning, kan astronomerne beregne, hvilken retning den oprindelige partikel kom fra. Vanddetektorerne fanger de byger af sekundære partikler, som når helt ned til jordoverfladen, og de fungerer uanset vejret.

Nyt observatorium mod nord
I to observationsperioder siden januar 2004 har astronomerne set spor fra 27 kosmiske partikler med energier på over 57 EeV. Partiklerne er sandsynligvis protoner, og de kommer stort set alle sammen fra retninger, der ligger tæt på aktive galaksekerner 250 millioner lysår fra Jorden.

Når man ikke kan trække en lige linje til kilden, skyldes det, at de ladede partikler afbøjes en smule af Mælkevejens magnetfelt. Denne afbøjning gør, at det for første gang nogensinde vil blive muligt at kortlægge feltlinjerne i galaksens magnetfelt.

Højenergifysikere kan også drage nytte af observationerne, for når de energirige protoner fra det ydre rum smadrer ind i partikler i atmosfæren, sker det ved energier, som ligger milevidt over, hvad det nogensinde bliver muligt at opnå på Jorden.

Ansporet af deres første store gennembrud presser astronomerne ved Pierre Auger Observatoriet nu på for at få bygget et tre gange større observatorium på den nordlige halvkugle, hvorved de vil blive i stand til at overvåge hele himlen for energirig kosmisk stråling.

Hvis forslaget går glat igennem vil observationerne kunne starte i 2009.