Izpi kosmikoak menperatu nahian

Izpi kosmiko primarioen batezbesteko energia 2.10 ¹⁰ eV-ekoa da. Seguru asko, %10ak ez darama aipaturiko energia baino handiagorik eta berauen artean badago 10 ²⁰ eV-eko energiadunik. Dena den, atmosferara segundoko 10 ¹³ izpi kosmiko primario sartzen badira ere, Lurrak bide honetatik jasotzen duen energia segundoko izarretatik jasotzen duenaren parekoa da.

XX. mendearen hasieran zientzilariek ordurarte detektatutakoa baino erradiazio indartsuagoa bazela iragarri zuten. Fisikariek, oro har, ziurtzat eman zuten erradiazio berri hura Lurraren gainazaleko substantzia erradioaktiboek sortua zena. Victor Franz Hess erabat ados egon ez eta erradiazioaren jatorria jakiteko asmoz, 1910.ean globo batean bere tresneria sartu eta atmosferan zehar 6.000 m-raino igo zen, gero eta gorago igo ahala erradiazio berriaren intentsitatea handiagotu egiten zela konturatu zelarik. Saio batzuk egin ostean erradiazioaren sorburua ez zegoela Lurraren gainazalean ondorioztatu zuen eta Lurra kanpoko espaziotik zetorrela iradoki zuen.

Hurrengo urteetan zehar V.F. Hess-en emaitzak baieztatu egin ziren, Lurraz kanpoko unibertsotik zetorren erradiazioa zela agerian utziz. Guzti honegatik Robert A. Millikan-ek 1925.ean kosmotiko erradiazio ezezagun honi izpi edo erradiazio kosmiko izena eman zion.

Ondoren, izpi kosmikoen izaera nolakoa zen ezagutzea planteatu zen. Baina, zeregin honetan fisikariek arazo birekin, besteak beste, egin zuten topo. Batetik, izpi kosmikoak lurrera heltzen direnean atmosferako nukleo eta molekulen kontra talka egiten dute eta partikula gehiago sortzen dira. Berauetako batzuk, Lurraren gainazalerantz jaitsi ahala desintegratu egiten dira eta beste batzuek, ostera, talka gehiago pairatzen dute partikula-mota gehiago sortuz.

Beraz Lurraren gainazalean talkak eta desintegrazio-produktuak (erradiazio sekundarioa) detektatuko genituzke eta ez jatorrizko erradiazio kosmikoa (erradiazio primarioa). Beraz behaketa zuzenik egin nahi izanez gero, atmosferaren goi aldera globoak, koheteak edo satelite artifizialak bidali edota mendi-gailurretan laborategiak jarri beharko lirateke. Beronetarako, egia esanda, 1910.ean Victor Hess-ek ez zuen behar bezalako teknologiarik eta hainbat urte pasatu ziren harik eta fisikariek teknologia egokiaren bidez erradiazio kosmikoaren izaera zehaztu ahal izan zuten arte.

Millikan fisikari ezagunak eman zien izena izpi kosmikoei.

Bestetik, fisikariek beste arazo bati egin behar izan zioten aurre: erradiazio kosmikoaren intentsitatea oso txikia denez, informazioa lortzeko detektagailu onak behar zituztela. Gogora dezagun gaur egun erabiltzen diren detektagailuak, gero ikusiko dugunez, Lurraren gainazaleko hainbat metrotako zirkuluan zehar sakabanatzen direla.

Hortaz, zientzilariak zeharkako metodoez baliatu ziren. Lurraren gainazalean eta mendi-tontorretan produktu sekundarioak detektatzeko eta berauen izaera (energia, masa, abiadura, kopurua, ...) aztertzeko tresnak jarri zituzten, lortutako emaitzetatik erradiazio primarioaren ezaugarriak jakin ahal izan zituztelarik. Meteoritoetatik ere informazio ugari lortu zuten.

Meteoritoak espazioan zehar higitzen direnean izpi kosmikoen eragina jasaten dute. Partikula batzuek efektu erradiaktiboak sortzen dituzte eta beste batzuek, aldiz, ionizazio-prozesuak sorterazten dituzte. Metodo kimikoen bidez efektuok aztertzen dira eta izpi kosmikoei buruzko informazioa lortzen da.

Hau horrela izanik, teoria bi plazaratu ziren. Robert A. Millikan-en ustez erradiazio kosmikoa ordurarte detektatu ziren fotoi guztiek baino energia handiagoko fotoiek osatzen zuten. Baina, ez zuen frogatzerik izan. Bestalde, Holly A. Compton fisikari amerikarraren aburuz izpi kosmikoak partikula kargatuak ziren eta Lurraren alde desberdinetan egin zituen saioetatik intentsitatea latitudearen arabera hazi egiten zela egiaztatu zuen, hots, ekuatorean ahulagoa zela poloetan baino, partikula kargatuak baziren espero zitekeenez.

1935. urtean Bruno Rossi-k, izpi kosmikoek Lurraren eremu magnetikoaren eraginpean jasandako desbidazioetan oinarrituz, izpi kosmikoak positiboki kargaturiko partikulaz osaturik zeudela frogatu zuen. Nolanahi ere, fisikariek erradiazio kosmikoa zein partikula-motak osatzen zuten jakin nahi zuten eta, esan bezala, 30.eko hamarkadaren azken aldera tresneria egokia lortu zenean 21 km-ko altueraraino heldu ziren, atmosferaren % 97 atzean utzita. Ikerketa hauen ondorioz izpi kosmikoen osakera jakin ahal izan zen: erradiazio primarioaren % 77 protoiz osaturik zegoen eta gainerakoa heliotik uranio bitarteko elementuen nukleoek (nukleoak zenbat eta pisutsuagoak izan, orduan eta urriago dira), elektroiek, gamma izpiek eta neutrinoek osatzen zuten. Argiaren abiaduran higitzen ziren eta energia izugarria zeukaten; 10 ⁵ -10 ¹⁰ eV bitartekoa alegia.

Ostean, atmosferan zehar erradiazio sekundarioa nola sortu eta garatzen zen ikertu zen. Erradiazio kosmiko primarioaren nukleo batek 20 km-ko altueran atmosferako oxigeno eta nitrogeno-nukleo baten kontra talka egitean pioi izeneko partikula-kopuru bat, gamma izpiak eta nukleo-zatiak sortzen dira. Sorturiko pioi-kopurua eta nukleo-zatiena erradiazio primarioaren energiaren menpe daude, hau da, izpi kosmiko primarioak zenbat eta energia handiagokoak izan, orduan eta pioi-kopuru handiagoa eta nukleo-zati gehiago sortzen da. Nukleo-zati eta pioi hauek (erradiazio sekundarioa) atmosferako nukleoen kontra talka gehiago jasaten dute, nukleo gehiago eta pioi gehiago (erradiazio tertziarioa) sorteraziz.

Berauek talka gehiago pairatuko dute eta horrela prozesu biderkatzaile honen ondorioz partikula-jauzia gertatuko da. Izpi kosmikoen energia handia izatekotan partikula-jauzi honek partikula asko izango ditu eta zenbait kilometrotako zabalerakoa izango da. Hiru pioi-mota haude: ⁺ , ^- eta ⁰ . Ezegonkorrena pioi neutroa da eta berehala desintegratzen da energia handiko fotoiak sortuz. Berauek, duten energia itzela dela eta, elektroi-positroi bikoteak sortzen dituzte. Aitzitik, pioi positiboek eta negatiboek duten energiaren arabera jokaera desberdina hartzen dute.

Lurrak bere inguruan sortutako eremu magnetikoak izpi kosmikoetatik babesten gaitu. Lurreko eremu magnetikoan partikula kargaturen bat sartzen denean desbidatua izaten da iparralderantz edo hegoalderantz kargaren zeinuaren arabera. Dena den, partikula kosmiko energetikoenek eremu magnetikoa zistu bizian zeharkatzea lortzen dute.

Energia moderatukoak izanez gero, zenbait metro ibili ostean desintegratu egiten dira muoiak eta neutrinoak sortuz. Energia handikoek, aldiz, beste honenbeste edo gutxiago ibili ostean nukleoren batekin interakzionatzen dute, pioi gehiago sortuz eta nukleoa apurteraziz. Beraz, ez dezagun espero Lurraren gainazalean partikula-jauzialdian zehar sorturiko pioietako baten bat detektatzerik.

Muoiek ez dute materiarekin interakzionatzen eta ezegonkorrak izan arren daramaten abiadura ikaragarriaren zioz ez dira desintegratzen eta itsas mailaraino heltzen dira. Areago, muoi energiatsuenak meategi sakonetan detektatu dira. Beraz, Lurraren gainazalean erradiazio kosmikoa desintegrazio-produktuez osaturik dago; muoi, elektroi, neutrino eta gamma izpiez.

Baina nondik datoz izpi kosmikoak eta nola lortzen dute hain energia handia? 1935.aren inguruan izpi kosmikoekiko zirrara piztu zen eta hainbat ikerlari sartu zen buru-belarri zeregin horretan.

1938.ean Pierre Auger fisikari frantziarrak eta bere ikerkideek Geiger detektagailu batzuen bidez Lurraren gainazalera iritsitako erradiazio sekundarioaren izaera aztertu zuten eta 10 ¹⁵ eV-eko energiadun izpi kosmikoak detektatu zituzten. Are gehiago, izpi kosmikoen osagai diren partikula batzuek energia handiagoa izango zutela iradoki zuten. 1948.ean Massachusetts-eko Teknologi Institutuko Robert W. Williams-ek detektagailu hobeak erabiliz izpi kosmikoen ikerkuntzan aurrerapauso handia eman zuen eta 10 ¹⁶ eV-eko energiadunik aurkitu zuela plazaratu zuen.

Azken urteotan astrofisikariek iragarri dutenez Cygnus X-3 izar bitarrak emitituriko izpi kosmikoak detektatu dituzte. Izpi hauek 10 ¹⁵ eV-eko energiaraino azeleratuak dira izar bitarraren eremu magnetiko handiaren eraginez.

Izpi kosmikoen energiaren auziarekin batera, iturburugaien inguruan hasi ziren lanean. 1949an R.D. Richtmeyer-ek eta Edwa-rd Teller-ek eguzkitik zetozela proposatu zuten eta batezbeste 3.10 ⁴ eV-ekoak zirela, erupzioaren intentsitatearen eta indarraren arabera 10 ⁹ eV-eko energiaraino heldu ahal izanik ere. Dena den, 10 ¹⁶ eV-ekoak detektatu zirenean kolokan jarri zen Richtmeyer-en eta Teller-en teoria. Beraz, izar batzuk izpi kosmikoen partikulen ekoizpenari dagozkionez eguzkia baino oparoagoak zirela ondorioztatu zen. Esaterako, nobak eta supernobak.

Noben eta supernoben teoriaren arabera izar masatsu batzuk lehertu eta beren masa gehiena botatzen dute espaziora itzelezko abiaduraz eta energiaz. Hala ere, honek ez du izpi kosmikoen energiaren arazoa ebazten. Eguzkia 10 ⁹ eV-eko energiako partikulak ekoizteko gauza bada, ez da harritzekoa supernoba edo noba bat energia handiagokoak sorterazteko gai izatea, baina sekulan ez 10 ¹⁶ eV-ekoak sorterazteko.

Enrico Fermi-k 1951.ean beste ideia bat, 1933.ean H. Swarm-ek plazaratu zuenaren antzekoa, proposatu zuen. Beronen arabera, partikula guztiek ez zuten honelako energia ikaragarririk eraketaunean eta ekoiztu bezain laster Galaxiaren eremu magnetikoak azelerarazten zituen, horrela beren hasierako energia handiagotzen zelarik. Berak egindako kalkuluen arabera gure galaxiaren kasuan 10 ¹⁷ eV-eko energiadunik izatekotan nahikoa energia izango lukete eremutik alde egiteko.

Eguzki-garrak. Eguzkia izpi kosmikoen iturri da.

Bien bitartean, 1957an Pietro Bassi-k eta Bruno Rossi-k 5.10 ¹⁸ eV-ekoa detektatu zutenean unibertsoan erradiazio kosmiko energiatsuagoa sortzen zuen beste iturriren bat izango zela pentsatu zen. Beste hitzetan esanda gure galaxia izpi kosmikoen iturri bakarra balitz, 10 ¹⁷ eV-eko energia baino handiagorik ezin liteke espero. Hala ere, batzuetan energia handiagoak detektatu dira; 10 ¹⁹ eV-erainokoak bai gutxienez. Egin daitekeen hipotesi bakarra honako hau da: ikaragarrizko energia duten partikula hauek, gure galaxiarena baino eremu magnetiko handiagoa dutenetan sortzen dira. Galaxia hauek lehertu, kolapsatu edo, normalean, supernoba arruntek baino askoz aldaketa katastrofikoagoak pairatzen dituzte, katastrofe galaktiko hauek izugarrizko energi kantitatea eta benetako izpi kosmikoen oldeak milaka milioi eV-eko eskualdean askatzen dituztelarik.

Partikula superenergetiko hauek, beren galaxia amatik jaurtikiak izan ondoren, materi zatiren batekin talka egin gabe izarrarteko espazioa zeharkatu, kasualitatez gure galaxian zehar pasatu eta gure planetari erasotzen diote.

60.eko hamarkadan pultsareak aurkitu zirenean energia handiko izpi kosmikoen ekoizlea aurkitua zela pentsatu zen. Pultsareak oso azkar biratzen duten neutroi-izarrak dira eta biraketa-energia handia dutenez beren eremu magnetikoa oso indartsua da; 10 ¹² gauss-ekoa alegia. D. Kulsrud, F. Gunn eta W. Ostriker-ek egindako kalkuluen arabera, 10 ¹⁹ eV-eko energiaraino izan daitezke azeleratuak pultsarearen inguruan dauden partikula kosmikoak.

1962an 10 ²⁰ eV-ekoa detektatu da eta energia handiagokoa izan daitekeela ere uste da gaur egun. Adituen eritziz 10 ¹⁶ eV-etik beherako erradiazio kosmikoa gure galaxian kokaturiko iturriek (nobek, supernobek eta pultsareek) ekoiztua da eta energia handiagokoak, aldiz, irratigalaxiek, kuasareek edo izar magnetikoek sortuak dira; berauetan fenomeno bortitzagoak gertatzen bait dira.

1990.eko hamarkadan espaziora bidaliko diren sateliteen bidez izpi kosmikoei buruzko informazioa lortu ahal izango da.

Ikerlariek ez dute amore eman eta gaur egun partikula kosmikoen auziari aurre egiteko saio-mordoxka diseinatzen hasiak dira. Estatu Batuetako Dugway-ko zentru militarreko ikertokian diharduten Utah, Michigan eta Chicagoko Unibertsitateetako ikerlarien ustez, munduko izpi kosmikoen behatokirik onena bertokoa da; duten tresneriaren bidez 10 ²⁰ eV-eko izpi kosmiko energiatsuak detektatu ahal izango bait dira. Detektagailu bakoitzak 67 ispilu eta 880 fotobiderkatzaile izango ditu eta edozein norabidetatik etor litekeen izpi kosmikoa detektatu ahal izango du.

Ispilu bakoitzak atmosferako nukleoen eta partikula kosmikoen arteko talken ondorioz sortutako argi ahula isladatu ostean fotobiderkatzaileak jasoko du eta pultsu elektriko bihurtuko du. Pultsu elektrikoen intentsitatearen arabera, ordenadore batek partikula-jauzia eratuko du, izpi kosmiko primarioak atmosferara sartzean zekarren norabidea jakin ahal izango delarik. Guztira 36 detektagailu erabiliko dituzte eta 100 m-ko diametrodun zirkuluan zehar sakabanaturik egongo dira.

Bestalde, lurrazpian Michigan-eko Unibertsitateko ikerlariek egindako beste detektagailu-xorta bat ipiniko dute muoi energiatsuak detektatzeko. Proiektu honen zuzendari den Jim Cronin-en arabera, 60.eko hamarkadatik izpi kosmikoen ikerkuntzan ez da erakarpen handirik egin, banakako saio batzuk ezik, eta bada behar bezalako ikersaio seriorik egiteko garaia. Jim Croni-nen aburuz, Dugway-ko behatokian lortuko diren emaitzetatik izpi kosmikoei buruzko oinarri zientifiko sendoak eskuratuko dira. Hala bedi.