
WSTĘP	MODELE	PROMIENIOWANIE X I GAMMA	NEUTRINA	PROMIENIOWANIE RELIKTOWE

do góry	WSTĘP

W pierwotnym promieniowaniu jest zawarta składowa pochodząca od Słońca, ale jej udział jest istotny tylko w zakresie energii kinetycznej cząstek o wartościach mniejszych od 10⁹ eV. Obserwowane promieniowanie pierwotne zawierające cząstki o energiach większych od ok. 10⁹ eV przybywa z przestrzeni międzygwiezdnej. Istnieją podstawy, aby sądzić, że składowa z przedziału energii od ok. 10⁹ eV do ok.10¹⁹ eV pochodzi głównie z Galaktyki, a składowa z przedziału wyższych energii jest prawdopodobnie pochodzenia metagalaktycznego. Strumień promieni kosmicznych ze wzrostem energii zawartych w nim cząstek maleje; wkład cząstek o superwielkich energiach jest nieznaczny, wkład cząstek od Słońca jest większy, lecz też względnie mały. Można sądzić, że zasadnicza część promieniowania kosmicznego obserwowanego poza atmosferą przybywa do Ziemi z Galaktyki. [3]

do góry	MODELE

AKTYWNOŚĆ GWIAZD	WYBUCHY SUPERNOWYCH	NOWE GWIAZDY	PULSARY	MAGNETYCZNE GWIAZDY A
BIAŁE KARŁY	JĄDRO GALAKTYKI	ŹRÓDŁA POZAGALAKTYCZNE	CZARNE DZIURY

do góry	MODELE	AKTYWNOŚĆ GWIAZD

Jednym z pierwszych obiektów, który można było potraktować jako źródło promieni kosmicznych, jest Słońce i podobne mu gwiazdy. Chociaż energie emitowanych przez takie gwiazdy cząstek nie są wielkie - takie, jakie napotyka się w pierwotnym promieniowaniu - to można założyć, że istnieją mechanizmy przyspieszania cząstek w przestrzeni międzygwiazdowej. Jednak, dokładniejsza analiza wydajności energetycznej gwiazd składnia do odrzucenia Słońca i gwiazd mu podobnych jako istotnych źródeł promieniowania. W celu określenia mocy źródeł promieni kosmicznych w Galaktyce trzeba ocenić czas życia promieni wyemitowanych przez źródła - od tego czasu zależy czas gromadzenia promieni w Galaktyce. Czas życia określa się albo przez określenie wyjścia cząstek z Galaktyki, albo przez ich pochłanianie w zderzeniach niesprężystych w ośrodku. Zasadniczą rolę odgrywa w tym przypadku ośrodek międzygwiazdowy. Znając średnią drogę swobodną dla pochłaniania cząstki w ośrodku, w wyniku zajścia danej reakcji, oraz gęstość ośrodka międzygwiazdowego, można ocenić czas życia promieni kosmicznych - w jakim czasie są pochłaniane protony zawarte w tych promieniach. Wielu zajmujących się problemem pochodzenia promieni kosmicznych odrzuca aktywność gwiazd typu Słońca jako źródła tego promieniowania. Jednak, ponieważ procesy w gwiazdach nie są poznane wystarczająco dokładnie, wielu jeszcze jest i zwolenników traktowania typowych gwiazd jako źródła promieniowania kosmicznego. Okazało się, że znacznie łatwiej jednak znaleźć inne źródła - w procesach wybuchów gwiazd super nowych. [3]

do góry	MODELE	WYBUCHY SUPERNOWYCHA

W fazie początkowej wybuchu supernowej wytwarza się fala uderzeniowa rozprzestrzeniająca się od rdzenia gwiazdy i przyspieszająca cząstki w zewnętrznych obszarach do energii 10⁸-10²¹ eV. Wytwarzają się neutrony, które z kolei powodują powstawanie jąder cięższych w szybkich procesach wychwytu. Eksplozji towarzyszy promieniowanie w zakresie fal radiowych, światła i promieniowania rentgenowskiego rozchodzące się z rejonu pozostałości po wybuchu gwiazdy; może ono być odniesione do procesów przyspieszania synchrotronowego cząstek. Mogą tam być przyspieszane elektrony do energii ok. 10¹³ eV, a nawet protony i inne jądra atomowe. Sądzi się, że taką dobrze widoczną pozostałością po wybuchu supernowej jest mgławica Krab. W roku 1987, 23 lutego, ukazała się jako widoczny gołym okiem obiekt w Wielkim Obłoku Magellana SN 1987a. Jak wiadomo z obserwacji, średnio jedna supernowa zdarza się w Galaktyce co 30-50 lat i przy wybuchu wyzwala się energia rzędu 10⁴³- 10⁴⁴ J. Takie eksplozje mogą powodować pozostawianie strumienia promieni kosmicznych w Galaktyce w stanie stacjonarnym z zawartością energii ok. 10⁴⁹ J. Tego rodzaju przypływ energii z takich źródeł może być dostatecznie duży, aby wytworzyć równowagę między cząstkami dopływającymi ze źródeł i cząstkami opuszczającymi Galaktykę lub doznającymi strat energii w procesach oddziaływań z ośrodkiem międzygwiazdowym. Można stwierdzić, że energia niesiona przez promienie kosmiczne może być wstrzykiwana do Galaktyki przy wybuchach supernowych. Dlatego, obecnie zakłada się eksplozje supernowych jako podstawowe źródło promieni kosmicznych. [3]

do góry	MODELE	NOWE GWIAZDY

Gwiazdy nowe mogą wytwarzać promieniowanie kosmiczne w podobnym procesie, jak supernowe, ale energia wyzwalana w tych obiektach wynosi tylko ok. 10^-4 energii wyzwalanej przy eksplozji supernowej. Nowe jednak pojawiają się znacznie częściej niż supernowe - ok. 100 w ciągu roku -- mogą więc wnosić zauważalny wkład do promieni kosmicznych. [3]

do góry	MODELE	PULSARY

Podczas ewolucji gwiazdy neutronowej elektryczna przewodność materii gwiazdowej pozostaje dostatecznie wielka, aby podtrzymać jej pierwotne pole magnetyczne. To podtrzymywanie strumienia magnetycznego prowadzi do powstawania intensywnych pól powierzchniowych osiągających 10⁹ T. Tak silne pola magnetyczne H indukują odpowiednio silne pola elektryczne w których mogą być przyspieszane cząstki promieniowania kosmicznego. Możliwy jest i inny mechanizm przyspieszania - obracający się pulsar wytwarza intensywne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie niskich częstotliwości, unoszące ogromną porcję energii. Cząstki promieni kosmicznych mogą "podłączać" się do takich fal i uzyskiwać w ten sposób energie bliskie maksymalnym występującym w promieniach kosmicznych - rzędu 10²¹ eV. Możliwość uzyskiwania cząstek o najwyższych energiach w opisany sposób pozostawia jednak wiele problemów nie rozwiązanych. Jaki jest wpływ na taki mechanizm przyspieszania gęstej magnetosfery pulsara wytwarzanej przez wypychanie cząstek naładowanych z jego powierzchni poprzez silne pole elektryczne? Jak przy takim mechanizmie wytłumaczyć kształt widma energetycznego pierwotnych promieni kosmicznych? Jak wyjaśnić skład chemiczny tego promieniowania? Czy mogą pojawiać się w takim mechanizmie cząstki o energiach poniżej 10¹¹ eV? Czy ilość pulsarów w Galaktyce zapewni istnienie obserwowanego strumienia promieni kosmicznych?

do góry	MODELE	MAGNETYCZNE GWIAZDY A

Istnieją w Galaktyce obiekty zwane magnetycznymi gwiazdami A o powierzchniowych polach magnetycznych rzędu ponad 0,1 T Ruch obrotowy takich gwiazd powoduje przyspieszanie - w ich polach magnetycznych - cząstek promieni kosmicznych, podobnie jak w pulsarach. Maksymalna energia uzyskiwana przy takim przyspieszaniu wynosi ok. 10¹⁰ eV. Gwiazdy magnetyczne A mogą więc częściowo przyczyniać się do wytwarzania promieni kosmicznych w zakresie energii niskich - mniejszych niż 10¹⁰ eV. [3]

do góry	MODELE	BIAŁE KARŁY

Istnieje wiele gwiazd typu białych karłów, szeroko rozsypanych po Galaktyce. Jeżeli obiekty te stanowią wczesne stadia pulsarów i ich pola magnetyczne są dostatecznie silne, to mogą one wnosić wkład do promieniowania kosmicznego w zakresie niższych energii - podobnie jak gwiazdy magnetyczne A. Ponieważ takich źródeł jest dostatecznie dużo, ich udział w niskoenergetycznej składowej promieniowania kosmicznego może być zauważalny. [3]

do góry	MODELE	JĄDRO GALAKTYKI

Jądro Galaktyki jest traktowane jako źródło biorące aktywny udział w tworzeniu promieniowania kosmicznego, w procesach podobnych do tych, jakie zachodzą przy wybuchach supernowych. Jako argumentację na rzecz takiego poglądu przytacza się dane z obserwacji wzmożonego promieniowania - w niektórych zakresach częstotliwości - z obszarów centralnych Galaktyki, w porównaniu z innymi jej obszarami. Ponadto, istnieją dowody na to, że na wielką skalę zachodzi wyrzucanie materii z jądra Galaktyki. Sądzi się, że jeśli eksplozje w jądrze powtarzają się z okresem rzędu 10⁷ lat, to jest możliwe wytwarzanie tam promieni kosmicznych z mocą ok. 10³³ J/s. [3]

do góry	MODELE	ŹRÓDŁA POZAGALAKTYCZNE

Na podstawie obecnej wiedzy o promieniowaniu kosmicznym wytwarzanym przez obiekty w Galaktyce trudno nie sądzić, że i inne galaktyki są źródłami takiego promieniowania. Dochodzące do Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne z Galaktyki traktuje się jako wskaźnik zawartości w niej cząstek promieni kosmicznych. Istnienie innych radiogalaktyk należy więc traktować jako wskazówkę, że galaktyki są silnymi źródłami promieni kosmicznych. Jest wielce prawdopodobne, że promienie kosmiczne są wstrzykiwane do przestrzeni międzygalaktycznej z różnych źródeł: normalnych galaktyk, radiogalaktyk, kwazarów. Źródła takie produkują energię w postaci promieniowania synchrotronowego osiągającą ok. 10³⁶ J/s - ok. 10⁵ razy więcej niż w Galaktyce. Należy więc skłonić się do tego, że promieniowanie kosmiczne jest zjawiskiem uniwersalnym - gęstość energii zawartej w promieniach kosmicznych jest w przybliżeniu stała na całej przestrzeni Wszechświata. Aby gęstość energii promieniowania kosmicznego była ok. 1 eV/cm³ zarówno wewnątrz, jak i zewnątrz Galaktyki, moc źródeł musi wynosić ok. 510²³ J/(cm³s), jeśli straty nie są brane pod uwagę; znaczy to, że każde ze źródeł powinno wnosić średnio 10⁴² J/s do wytwarzania cząstek relatywistycznych - ok. 100 razy mniej niż energia wnoszona przy emisji promieniowania elektromagnetycznego. W ramach modelu uniwersalnego napotyka się trudności przy próbach wyjaśnienia tak wielkich wkładów energetycznych. Niektórzy z zajmujących się zagadnieniami pochodzenia promieni kosmicznych sądzą, że cząstki promieniowania o energiach wyższych niż 10¹⁷ eV są pochodzenia pozagalaktycznego. Jak już napisano wcześniej, protony o energiach 610¹⁷ eV, przelatując w magnetycznym polu galaktycznym 510^-10 T, podążają po orbitach kołowych o promieniu rzędu 610²⁰ cm, prostopadłym do wektora pola. Taki promień jest porównywalny z rozmiarami Drogi Mlecznej, więc protony powyżej 10¹⁷ eV nie mogą się gromadzić w polu Galaktyki. Ponadto, protony o tak wielkich energiach wytworzone w Galaktyce powinny wykazywać widoczną anizotropię wskazującą na źródła odpowiedniego przyspieszania; anizotropii nie obserwuje się, jeśli wysnuwać wniosek na podstawie ubogiej dotychczas statystyki danych obserwacyjnych. W świetle wyników tych rozważań często stosuje się dwuskładnikowy model promieniowania kosmicznego w Galaktyce: w obszarze energii E<10^-17 eV dominuje promieniowanie pochodzenia galaktycznego, a w zakresie energii E>10¹⁷ eV przeważa wkład od składowej pozagalaktycznej. [3]

do góry	MODELE	CZARNE DZIURY

W 1974 roku Stephen Hawking dokonał niezwykłego odkrycia, stwierdzając, że czarne dziury nie są zupełnie czarne. Mogą emitować promieniowanie o pewnej charakterystycznej temperaturze, zależnej od ich masy. Chociaż natura tego promieniowania nie zawiera żadnej informacji o tym, co wpadło do czarnej dziury, sama idea, że czarna dziura może promieniować, była zdumiewająca. Wydawało się, że narusza ona wiele twierdzeń - z których część Hawking sam wcześniej udowodnił - utrzymujących, iż materia może tylko wpadać do czarnych dziur, ale nigdy nie może się z nich wydostać. Wszystko to prawda, tyle że źródło promieniowania czarnej dziury nie jest zwykłą materią: promieniuje pusta przestrzeń, która może zachowywać się całkiem nietypowo - zwłaszcza w pobliżu czarnej dziury. Odkąd prawa mechaniki kwantowej zostały uzgodnione ze szczególną teorią względności, do czego doszło wkrótce po II wojnie światowej, wiemy, że pusta przestrzeń nie jest całkiem pusta. Jest ona raczej kipiącym, bulgoczącym morzem kwantowych zaburzeń. Te fluktuacje co jakiś czas wypluwają pary cząstek elementarnych, które istnieją przez okres tak krótki, że nie możemy ich wprost zaobserwować, a następnie z powrotem znikają w próżni, z której się narodziły. Zasada nieoznaczoności w mechanice kwantowej mówi, że nie da się badać bezpośrednio pustej przestrzeni w tak krótkich odcinkach czasu, a więc nie można wykluczyć, iż owe cząstki, zwane wirtualnymi, pojawiają się na mgnienie oka i znikają. Choć nie potrafimy wykryć tych cząstek bezpośrednio, ich obecność ma wpływ na wielkości fizyczne, które możemy mierzyć, jak na przykład tempo i energia przejść między pewnymi poziomami energetycznymi w atomach. Ów efekt udało się doświadczalnie potwierdzić. To przywodzi nas z powrotem do Hawkinga i jego niezwykłych odkryć. W normalnych warunkach, gdy fluktuacja kwantowa tworzy wirtualną parę cząstek, para ta anihiluje i znika z powrotem w próżni w czasie tak krótkim, że nie można zaobserwować złamania zasady zachowania energii (spowodowanego kreacją tej pary z nicości). Kiedy jednak wirtualna para cząstek pojawia się w zakrzywionej przestrzeni w pobliżu czarnej dziury, jedna z cząstek może do niej wpaść, druga zaś uciec, dzięki czemu staje się dostępna obserwacjom. Dzieje się tak dlatego, że cząstka wpadająca do czarnej dziury może stracić w tym procesie więcej energii, niż jest potrzebne na jej stworzenie z niczego. Dostarcza więc ona do czarnej dziury "ujemnej energii" i w ten sposób energia czarnej dziury się obniża. Zasada zachowania energii nie ulega przy tym złamaniu, gdyż ta ujemna energia równoważy energię cząstki, która uciekła. W ten sposób czarna dziura emituje promieniowanie. Co więcej, zmniejszaniu się energii czarnej dziury towarzyszy w tym procesie zmniejszanie się jej masy. W końcu może ona zupełnie wyparować, pozostawiając po sobie jedynie wyprodukowane w czasie swojego istnienia promieniowanie. [6]


do góry	KOSMICZNE PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE i GAMMA

Pod grubą warstwą atmosfery można obserwować tylko stpsunkowo małą część docierającego do paszej planety z Ksmosu promieniowania elektromagnetycznego, jedynie w dwóch zakresach fal: w zakresie optycznym - od 410^-7m do około 710^-7m i w zakresie fal radiowych o długości od ok. 10^-2m do ok. 10²m. Aby zarejestrować promieniowanie elektromagnetyczne o jnnej długości należy wynieść aparatuę poza granice atmosfery, pozwala to zobaczyć jak wygląda Kosmos w innych długościeach fal. Promieniowanie o długościach fal od 10^-11 do ok. 310^-9 nazywa się promieniowaniem rentgenowskim lub X, a o długościach fal mniejszych od 10^-11 promieniowaniem gamma. Obecnie znamy setki dyskretnych źródeł rentgenowskich, są wśród nich zarówno pochodzenia galaktycznego, jak i pozagalaktycznego. Źródłami galaktycznymi sąpojedyńcze gwiazdy, pozostałości supernowych,silne źródła w układach gwiazd podwójnych, różne krótkotrwałe źródła o czasach aktywności od 6 do 8 miesięcy. Jądro galaktyki też zawiera źródło rentgenowsakie. Pozagalaktyczne źródła promieniowania rentgenowskiego utożsamia się z seiferowskimi galaktykami, z kwazarami, z radiogalaktykami, i niektórymi zwykłymi galaktykami. [3]

do góry	NEUTRINA

Hipotezę przewidującą istnienie neurin wysunął w 1936 roku W. Pauli, aby móc wyjaśnić pewne własności rozpadu beta (w którym np. neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe). Przewidywania Pauliego zostały potwierdzone eksperymentalnie dopiero w latach pięćdziesiątych (m.in. przez laureata nagrody Nobla z 1995 roku, F. Reinesa).[4] Wszechświat wypełniony jest olbrzymią liczbą fotonów i neutrin, które powstały po Wielkim Wybuchu. Fotony, elementarne cząstki światła, mają zerową masę i w skali kosmologicznej są obecnie nikłym echem ważnej roli, którą odgrywały w zamierzchłej epoce gorącego Wszechświata. Natomiast obdarzone masą neutrina mogą wnieść znaczący wkład do masy Wszechświata. Może być on znacznie większy od mas wszystkich gwiazd we wszystkich galaktykach. Nawet znikoma masa neutrin jest w stanie zatrzymać lub nawet odwrócić obecną ekspansję przestrzeni Wszechświata.[1]

do góry	PROMIENIOWANIE RELIKTOWE

Pierwotne fotony, znane jako promieniowanie reliktowe, obserwujemy dziś w postaci mikrofal i ultrakrótkich fal radiowych . Przynoszą nam obraz Wszechświata z czasów, w których powstawały atomy i które przyjęto nazywać epoką rekombinacji . W promieniowaniu reliktowym ukryte są jednak informacje nie tylko o przeszłości, lecz także o bardzo odległej przyszłości Wszechświata. Ich odczytywanie umożliwia dział astrofizyki zwany kosmologią.[5] Okazuje się, że promieniowanie reliktowe powoduje efekt podobny do tarcia, na skutek czego energia poruszających się cząstek ulega rozproszeniu. W wyniku tego efektu wysokoenergetyczne promienie kosmiczne mogą przebyć drogę najwyżej 150 mln lat świetlnych niezbyt wielką w porównaniu ze skalami odległości we Wszechświecie.[2]