Kosmiset säteet sikiävät supernovaräjähdyksen sokkiaalloista. Kuva: Greg Steward / SLAC
Kosmiset säteet sikiävät supernovaräjähdyksen sokkiaalloista. Kuva: Greg Steward / SLAC

Yksi tähtitieteen suurista arvoituksista sai lopulta ratkaisunsa.

Kosmisten säteiden synty on askarruttanut fyysikoita siitä lähtien, kun niiden olemassaolo sata vuotta sitten keksittiin.

Vuonna 1912 itävaltalainen Victor Hess totesi ilmapallon kuljettamilla mittareillaan, että säteily koko ajan lisääntyi pallon kohotessa ylemmäs. Tästä hän päätteli, että avaruudessa säteilee. Mistä päin maailmankaikkeutta säteet hänen ilmaisimiinsa tulivat, selvisi vasta tänä vuonna.

Kosmiset säteet koostuvat valtaosin protoneista, jotka pommittavat Maan yläilmakehää joka suunnasta avaruudesta. Vaikka ilmakehä suojaakin meitä näiltä äärimmäisen suurienergiaisilta hiukkasilta, meillä on mitä läheisin kosketus niihin: parisataa säteilypommituksesta syntyvää sekundaarista hiukkasta, lähinnä myoneja, kulkee joka minuutti päämme läpi.

Mistä kosmiset säteet saavat valtaisat energiansa? Niissä nimittäin on paljon enemmän potkua kuin millään maanpäällisellä hiukkaskiihdyttimellä voi saada aikaan. Cernin suuren LHC-kiihdyttimen hiukkassuihkut jäävät huimasti jälkeen avaruutta liki valon nopeudella halkovista protoneista.

Jokin avaruuden voimapesä tarvitaan vauhdittamaan noin väkeviä hiukkasia. Jo kauan tutkijoiden arvelut ovat kohdistuneet supernovaräjähdyksiin, jotka ovat maailmankaikkeuden rajuimpia tapahtumia. Supernova syntyy, kun massiivinen tähti luhistuu räjähtäen tai kun pienimassainen tähti, valkoinen kääpiö, nappaa naapuritähden materiaa ja jysähtää.

Sokkiaalto kerää energiaa

Itse räjähdys ei pysty kiihdyttämään hiukkasia kosmisten säteiden energioihin. Siihen kykenevät ainoastaan supernovajäännösten sokkiaallot.

Sokkiaallossa osa varautuneista hiukkasista eli elektroneista ja protoneista kulkee aallon edellä niin, että hiukkaset aika ajoin kääntyvät magneettikentän ohjaamina takaisin kohti aaltorintamaa ja sen poikki. Joka kerta, kun hiukkanen koukkaa uudestaan aallon kautta, se saa lisää energiaa, kunnes lopulta energiaa on kertynyt niin paljon, että hiukkanen ampaisee karkuun. Kosminen säde on syntynyt.

Kiihdytyksen mekanismi on ollut tiedossa. Samoin on tiedetty, että supernovajäännökset pystyvät pistämään elektroneihin vauhtia. Kuitenkin 90 prosenttia kosmisista säteistä on protoneja. Jotenkin piti varmistaa, että myös ne ovat sokkiaaltojen kiihdyttämiä.

Ratkaisuksi ei kelpaa, että katsotaan, tulevatko protonit supernovien suunnalta. Avaruusmatkalla niiden reitti näet vääristyy galaksia halkovien magneettikenttien voimasta.

– Protonit eivät osoita, mistä tulevat, kiteyttää Stanfordin yliopiston ja Kavli-instituutin astrofyysikko Stefan Funk, kun hän esittelee kosmisten säteiden alkulähteen osoittanutta astronomista salapoliisityötä Yhdysvaltain tiedeviikolla Bostonissa.

Kaksi kirkkainta kiikarissa

Toisin kuin protonit gammasäteet kulkevat mutkittelematta ja paljastavat, mistä päin ovat kotoisin. Mikä parasta, gammasäteet voivat syntyä, kun kiihdytetyt protonit törmäävät tähtienvälisessä tilassa paikallaan oleviin protoneihin.

Ensin törmäyksestä syntyy pioniksi kutsuttu hiukkanen, mutta se hajoaa oitis kahdeksi gammasäteeksi, jotka on mahdollista havaita ilmaisimilla.

Niinpä tutkijat suuntasivat Fermi-teleskoopin ilmaisimet kohti kahta galaksimme kirkkainta supernovajäännöstä. Toinen jäännös IC443 tunnetaan Meduusasumuna, ja se sijaitsee 5 000 valovuoden päässä Kaksosten tähdistössä. Toinen kohde W44 sijaitsee Kotkan tähdistössä 9 500 valovuoden päässä.

Pionit jättävät sormenjäljen

Vielä oli Funkin tutkimusryhmällä yksi mutka matkassa. Gammasäteitä synnyttävät sekä elektronit että suurienergiaiset positronit, joista tutkijat olivat kiinnostuneita. Miten erottaa toisistaan eri hiukkasten synnyttämät säteet?

Ratkaisun avain on siinä, että protonit saavat aikaan säteet pionien välityksellä ja tämä askel paljastuu säteilystä.

– Pionin hajoaminen luo gammasäteilyyn tunnusomaisen energiajakauman, josta alhaiset energiatasot puuttuvat. Juuri tämä on se savuava ase, jota olemme etsineet. Havaitsemiemme gammasäteiden täytyy siis olla kiihdytettyjen protonien synnyttämiä, Funk sanoo.

Tutkijat pääsivät raportoimaan myös Science-lehdessä, että kauan epäilty teoria supernovista kosmisten säteiden kehtona sai vihdoin havaintojen tuen.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2013.