Φέρνοντας ένα blazar στο εργαστήριο: Πώς το CERN ρίχνει φως στα “χαμένα” σωματίδια του Σύμπαντος

Πώς γίνεται να «χωρέσεις» ένα από τα πιο “βίαια” και ενεργητικά αντικείμενα του Σύμπαντος μέσα σε έναν σωλήνα ενός μέτρου; Κι όμως, μια πρόσφατη έρευνα στο CERN έδειξε ότι μπορούμε να κάνουμε αστροφυσική, χωρίς να κοιτάμε τον ουρανό… Και μάλιστα να λύσουμε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια των ακτίνων γάμμα.

Τι είναι ένας blazar; Για να καταλάβουμε το πείραμα, πρέπει πρώτα να γνωρίσουμε τον πρωταγωνιστή. Οι blazars είναι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες που φιλοξενούν μια υπερμαζική μαύρη τρύπα και πρόκειται για κοσμικoύς επιταχυντές σωματιδίων. Καθώς σε αυτή προσπίπτει ύλη, εκτοξεύονται στενοί πίδακες σωματιδίων που ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Όταν ένας τέτοιος πίδακας δείχνει ακριβώς προς τη Γη, το αντικείμενο ονομάζεται blazar — και γίνεται από τις πιο λαμπρές πηγές ακτινοβολίας στο Σύμπαν που βρίσκονται σε μακρινές αποστάσεις από εμάς. Ο λόγος που γίνονται λαμπρότερες αυτές οι πηγές, όταν κατευθύνονται προς εμάς, οφείλεται στη σχετικιστική κίνηση της ύλης. Όσο πιο πολύ πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός, τόσο πιο μεγάλη είναι η ενίσχυση, η οποία εξαρτάται και από τη γωνία παρατήρησης. Επομένως, όταν η κατευθυντικότητα του άξονα του πίδακα είναι ακριβώς προς τη Γη, έχουμε τη μέγιστη ενίσχυση, άρα τη μέγιστη λαμπρότητα που μπορούμε να καταγράψουμε από τη συγκεκριμένη πηγή. 

Πού χάνονται οι ακτίνες γάμμα; Τα θεωρητικά μοντέλα προβλέπουν ότι οι πίδακες των blazars παράγουν ακτίνες γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας (της τάξης των TeV). Καθώς αυτές ταξιδεύουν στο διάστημα μπορούν να συγκρουστούν με το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (Cosmic Microwave Background, CMB) και να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων–ποζιτρονίων, τα οποία, με τη σειρά τους, εκπέμπουν ακτινοβολία γάμμα χαμηλότερης ενέργειας (GeV).

Κι εδώ βρίσκεται το παράδοξο: αυτές οι «δευτερογενείς» ακτίνες δεν εμφανίζονται εκεί που θα έπρεπε. Είναι σαν να λείπουν από τον χάρτη. Για να εξηγηθεί το φαινόμενο, προτάθηκαν δύο πιθανές θεωρίες: 

• Αρχέγονα μαγνητικά πεδία: Ίσως υπάρχουν εξαιρετικά αδύναμα, αρχέγονα μαγνητικά πεδία στο διαγαλαξιακό χώρο. Αυτά θα μπορούσαν να εκτρέπουν τα κοσμικά σωματίδια, στέλνοντας την ακτινοβολία τους σε άλλες κατευθύνσεις — μακριά από τα τηλεσκόπιά μας. 
• Αστάθειες του πλάσματος: Ίσως η δέσμη των σωματιδίων να γίνεται ασταθής καθ’ οδόν: μικρές διακυμάνσεις θα μεγάλωναν, θα έσπαζαν τη δομή της, και μέρος της ενέργειας θα χανόταν πριν προλάβει να μετατραπεί σε ακτινοβολία γάμμα.

Αλλά πώς μπορούμε να ελέγξουμε ποια θεωρία ισχύει, όταν δεν μπορούμε να πάμε στο διαγαλαξιακό κενό για να κάνουμε επιτόπιες μετρήσεις;

Η λύση: προσομοιώνουμε το φαινόμενο στη Γη μέσω ενός πειράματος. Για να ελεγχθεί η δεύτερη υπόθεση, οι ερευνητές αποφάσισαν να αναδημιουργήσουν το πρόβλημα στο εργαστήριο. Με τον επιταχυντή SPS στο CERN παρήγαγαν μια δέσμη ζευγών ηλεκτρονίου–ποζιτρονίου και την έστειλαν μέσα από έναν σωλήνα ενός μέτρου γεμάτο πλάσμα, ώστε να «μιμηθούν» το διαγαλαξιακό περιβάλλον. Ακούγεται απίθανο; Κι όμως, με τη σωστή κλιμάκωση των φυσικών μεγεθών (ταχύτητες, πυκνότητες, λόγοι ενέργειας), ένα τέτοιο πείραμα μπορεί να απαντήσει στο ερώτημα. Αν οι αστάθειες όντως ευθύνονται για την εξαφάνιση των ακτίνων, τότε θα έπρεπε να εμφανιστούν και εδώ, σε μικρογραφία.

Τι έδειξε το πείραμα: Τα αποτελέσματα ήταν καθαρά: η δέσμη παρέμεινε σταθερή και ομοιογενής. Καμία ένδειξη για την αναμενόμενη αστάθεια. Καμία «θραύση» της δέσμης.  Άρα, η δεύτερη υπόθεση φαίνεται να καταρρίπτεται πειραματικά.

Και τώρα τι σημαίνει αυτό για το Σύμπαν; Εφόσον οι αστάθειες δεν φταίνε, τα βλέμματα στρέφονται στα αρχέγονα μαγνητικά πεδία του διαγαλαξιακού χώρου. Αν πράγματι υπάρχουν και έχουν την αναμενόμενη ένταση, τότε μπορούν να εξηγήσουν γιατί δεν βλέπουμε τις χαμηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα. Ίσως, αποτελούν απομεινάρι των πρώτων στιγμών μετά το Big Bang — ένας «ψίθυρος» του αρχέγονου Σύμπαντος.

Το Μέλλον της Αστροφυσικής βασίζεται στις συνεργασίες. Το σημαντικότερο στοιχείο της μελέτης δεν είναι μόνο το αποτέλεσμα, αλλά η προσέγγιση: η αστροφυσική δεν περιορίζεται πλέον σε τηλεσκόπια και παρατηρήσεις. Μπορεί να γίνει και στο εργαστήριο, με ελεγχόμενα πειράματα που «συμπληρώνουν» τον ουρανό. Στο επόμενο βήμα, τα νέα τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα — όπως το υπό κατασκευή Παρατηρητήριο CTAO — θα μπορέσουν να αναζητήσουν πιο λεπτές υπογραφές αυτών των μαγνητικών πεδίων. Συνδυάζοντας παρατήρηση και εργαστήριο, ίσως βρισκόμαστε πολύ κοντά στο να καταλάβουμε πόσο μαγνητισμένο ήταν το Σύμπαν… πριν καν σχηματιστούν οι πρώτοι γαλαξίες.