Dane z Jowisza ujawniają proste prawo rządzące przyspieszaniem cząstek. Nowy model podważa teorie

Jakie siły rozpędzają cząstki do prędkości bliskiej światła? Odpowiedź może kryć się w danych z sondy krążącej wokół Jowisza. Nowe badanie, opublikowane w czasopiśmie Nature, ujawnia zaskakująco prostą prawidłowość rządzącą przyspieszaniem naładowanych cząstek w kosmosie. Odkrycie podważa dotychczasowe teorie i może przybliżyć nas do rozwiązania jednej z największych zagadek astrofizyki – pochodzenia promieni kosmicznych.

Wszechświat pełen cząstek o ekstremalnych energiach

→ Czytaj też: Sonda Juno zmierzyła podpowierzchniową temperaturę Io. Dlaczego to zaskakuje naukowców?

Wszechświat wypełniony jest naładowanymi cząstkami, zwanymi promieniami kosmicznymi, które pędzą z prędkością bliską prędkości światła. Uważa się, że są one przyspieszane przez kolosalne, naddźwiękowe fale uderzeniowe – zjawiska występujące w skali od planet aż po supernowe. Dokładny mechanizm tego przyspieszania pozostawał jednak nieuchwytny. Dotychczasowe modele teoretyczne nie potrafiły w pełni wyjaśnić, w jaki sposób cząstki osiągają tak niewyobrażalne energie.

Przełom przyszedł z nieoczekiwanej strony – z danych zebranych przez należącą do NASA sondę Juno, która od 2016 roku bada Jowisza i jego otoczenie. Obserwacje wokół gazowego olbrzyma pozwoliły naukowcom dostrzec prawidłowość, która umknęła wcześniejszym badaniom.

Proste prawo ukryte w danych z Jowisza

→ Czytaj też: Fizycy słuchają muzyki wszechświata. Co usłyszą?

Międzynarodowy zespół badaczy, kierowany przez S. Raptisa, przeanalizował dane z instrumentów sondy Juno rejestrujące zachowanie elektronów w pobliżu Jowisza. Wyniki ich pracy, opisane w artykule opublikowanym w Nature, wskazują na istnienie unifikującego modelu, który łączy mechanizmy przyspieszania cząstek. Kluczowym odkryciem jest prosta zależność: maksymalna energia przyspieszonych naładowanych cząstek jest powiązana ze skalą przestrzenną fali uderzeniowej.

Odkrycie rzuca nowe światło na procesy zachodzące w kosmosie. Jak czytamy w komentarzu redakcyjnym Nature, model ten „łączy maksymalną energię przyspieszonych naładowanych cząstek ze skalą przestrzenną fali uderzeniowej”. Innymi słowy, im większy i potężniejszy wstrząs, tym wyższe energie mogą osiągnąć cząstki. Tę prostą zależność, którą naukowcy nazywają „prawem skalowania”, może mieć fundamentalne znaczenie dla zrozumienia zjawisk zachodzących w całym Wszechświecie.

Wyzwanie dla konwencjonalnych teorii

Nowe ustalenia stanowią bezpośrednie wyzwanie dla konwencjonalnych teorii przyspieszania cząstek. Dotychczas sądzono, że kluczową rolę odgrywają inne czynniki, takie jak siła pola magnetycznego czy gęstość plazmy. Dane z Jowisza sugerują natomiast, że to właśnie rozmiar fali uderzeniowej jest parametrem decydującym.

Odkrycie ma szczególne znaczenie dla zrozumienia pochodzenia promieni kosmicznych – wysokoenergetycznych cząstek docierających na Ziemię z głębi kosmosu. Ich źródła od dziesięcioleci pozostają jedną z największych zagadek astrofizyki. Nowe prawo skalowania może pomóc w identyfikacji tych źródeł, wskazując, jakich rozmiarów fale uderzeniowe są w stanie wyprodukować cząstki o obserwowanych energiach.

Co dalej? Od Jowisza do supernowych

Choć odkrycie jest obiecujące, naukowcy podkreślają, że to dopiero początek drogi. Model opracowany na podstawie danych z Jowisza wymaga teraz weryfikacji w innych środowiskach kosmicznych. Kluczowe będzie sprawdzenie, czy to samo prawo skalowania obowiązuje w przypadku fal uderzeniowych generowanych przez supernowe czy aktywne jądra galaktyk.

Jeśli model się potwierdzi, może zrewolucjonizować nasze rozumienie procesów zachodzących w ekstremalnych warunkach Wszechświata. Być może uda się wreszcie odpowiedzieć na pytanie, skąd biorą się cząstki o energiach miliony razy większych niż te osiągane w najpotężniejszych ziemskich akceleratorach. Na razie musimy uzbroić się w cierpliwość i czekać na kolejne misje kosmiczne, które dostarczą danych niezbędnych do potwierdzenia tej fascynującej hipotezy.