Astrofizicienii vor sa transforme intreaga Luna intr-un detector de radiatii cosmice, un proiect de 1,5 miliarde de dolari

Originea particulelor de mare energie reprezinta unul dintre cele mai mari mistere ale astrofizicii. Aceste particule, numite radiatii cosmice cu super-energie, vin din spatiu si se lovesc de Pamant cu o energie atat de mare incat fizicienii intampina dificultati in a crede ca existenta lor e posibila, ca sa nu mai ziceam de a le explica, scrie The Physics arXiv Blog.

Aceste raze cosmice pot avea o energie de 10^20 electronvolti (eV); pus in context, ar insemna un singur proton cu aceeasi energie ca o minge de baseball care zboara cu o viteza de 100 de km/ora.

Astfel de particule sunt foarte rare. Fizicienii detecteaza pe Terra, in medie, mai putin de o particula pe kilometru patrat in decurs de un secol. Insa din aceasta cauza sunt foarte dificil de studiat.

Fizicienii vor sa aprofundeze aceast subiect pentru a afla de unde vin particulele si cum se formeaza. Abordarea evidenta este construirea unor detectoare mai mari. Cel mai mare detector de pe Terra este Observatorul Pierre Auger care acopera o zona de 300 kilometri patrati, aproximativ suprafata Rhode Island sau a orasului Luxembourg.

Insa gasirea unei zone considerabil mai intinse pe Terra pentru un detector mai mare nu e o sarcina usoara, astfel incat oamenii de stiinta si-au indreptat atentia catre ceruri, mai exact catre Luna.

Ei au venit cu ideea de a exploata un efect fizic exotic care transforma intreaga Luna intr-un detector de radiatii cosmice cu super-energie. Justin Bray de la University of Southampton si cativa colegi de ai sai au trasat un proiect care urmareste acest lucru, ce a primit o finantare de 1,5 miliarde euro.

Constructia echipamentului necesar ar urma sa inceapa in 2018, cu termen de finalizare 2025.

Problema radiatiilor cosmice ultra-energetice este una extrem de misterioasa, oamenii de stiinta intrebandu-se cum o singura particula poate avea atat de multa energie.

Fizicienii teoretizeaza ca ar putea exista doua posibile mecanisme. Primul este accelerarea particulelor intr-un camp electric sau magnetic. Insa nimeni nu stie exact unde ar putea exista asemenea campuri extreme, sau cum ar putea ele capta o particula suficient de mult timp pentru a o accelera pana la acest nivel.

Cea de a doua posibilitate este ca particulele cu super-energie sa fi fost create prin dezintegrarea unei ipotetice particule exotice super-masive, posibil materie intunecata sau produsa de defecte topologice la inceputul universului.

O modalitate de a determina acest mecanism este descoperirea sursei acestor particule, afland de unde anume vin, lucru mai usor de spus decat de facut, pentru ca radiatiile cosmice sunt incarcate, prin urmare, curbate de campuri magnetice in timpul calatoriei lor. Prin urmare, directia din care sosesc nu indica neaparat sursa lor.

Acestea fiind spuse, exista un alt efect care ar trebui sa previna ca aceste radiatii cosmice super-energetice sa ajunga la noi. Particule de mare energie ar trebui sa interactioneze cu radiatia cosmica de fundal in timp ce calatoresc prin spatiu, iar aceasta interactiune ar trebui sa le faca sa isi piarda energia. Asta sugereaza ca particulele cu cel mai inalt nivel de energie au fost probabil create in galaxia noastra, pentru ca nu ar fi putut sa calatoreasca distante intergalactice si sa isi pastreze nivelul ridicat de energie.

Unde se regaseste Luna in aceasata ecuatie? Pe Pamant, fizicienii detecteaza aceste particule cand se lovesc de stratul superior al atmosferei, declansand o cascada de alte particule asupra suprafetei. Asa functioneaza Observatorul Pierre Auger, detecteaza particulele create in cascada.

Aceste cascade genereaza si un alt semnal. Accelerarea rapida si decelerarea particulelor incarcate produc unde radio. Asa ca o alta semnatura a impactului razelor cosmice super-energetice este o explozie scurta de unde radio, cunoscuta ca „efectul Askaryan”, fenomen numit astfel dupa fizicianul sovieto-american care l-a propus la inceputul anilor ’60.

Acesta este semnalul pe care astronomii spera sa il detecteze de la Luna. Ideea este ca radiatiile cosmice ultraenergetice ar trebui sa se loveasca de suprafata Lunii, generand o cascada de particule si o explozie scurta de unde radio mai mici de o nanosecunda.

Acest efect este complicat de faptul ca pulsatiile radio sunt proiectate inainte intr-un con si nu pot calatori suficient de departe prin suprafata lunara inainte de a fi absorbite.

Asta inseamna ca astronomii vor putea vedea doar pulsatiile radio de la radiatiile cosmice ultra-energetice care zgarie marginea Lunii indreptandu-se spre Terra.

Pentru a detecta acest semnal au nevoie de un telescop radio extrem de sensibil pe Terra. Aceste semnale sunt scurte si slabe, astfel incat generatia actuala de telescoape radio nu le poate detecta.

Insa astronomii se pregatesc sa inceapa lucrul la un telescop radio mult mai mare si mai sensibil, numit Square Kilometre Array, care va fi construit in Africa de Sud si Australia, la un cost de aproximativ 1,5 miliarde euro. El le va oferi acces la mai multe date despre radiatiile cosmice ultra-energetice decat au avut vreodata.

Desi detectorul lunar prezinta limitarile sale, ramane un proiect de dimensiuni impresionante. Bray si colegii sai estimeaza ca va acoperi echivalentul unui teren de 33.0000 kilometri patrati – dimensiunea statului american Maryland sau a Belgiei. Este de 10 de ori mai mult decat suprafata acoperita de Observatorul Pierre Auger. Fizicienii sustin ca instrumentul ar putea detecta in jur de 165 unde cosmice ultra-energetice de la Luna, comparat cu 15 pe an observata acum.

Bray si echipa sa au publicat pe arXiv.org lucrarea intitulata „Detectia lunara a radiatiiilor cosmice cu super-energie si a particulelor neutrino”.