CALorymetryczny Teleskop Elektronowy (CALET), znajdujący się na pokładzie Kibo’s Exposed Facility (EF) Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, od 2015 roku realizuje misję pomiaru strumienia cząstek promieniowania kosmicznego. wyniki bezpośredniego pomiaru widma promieniowania kosmicznego helu z wykorzystaniem danych zebranych przez CALET. W przeciwieństwie do pojedynczego prawa potęgowego, o którym wcześniej sądzono, analiza danych dotyczących strumienia zebranych w latach 2015-2022 ujawnia, że rozkład energii jąder helu promieniowania kosmicznego jest zgodny z prawem podwójnej łamanej mocy.
Wiele z naszego rozumienia Wszechświata i jego tajemniczych zjawisk opiera się na teoretycznych interpretacjach. Aby pogłębić zrozumienie odległych obiektów i zjawisk energetycznych, astronomowie przyglądają się promieniom kosmicznym, które są wysokoenergetycznymi naładowanymi cząstkami złożonymi z protonów, elektronów, jąder atomowych i innych cząstek subatomowych. Takie badania ujawniły, że promienie kosmiczne zawierają wszystkie znane nam pierwiastki z układu okresowego pierwiastków, co sugeruje, że pierwiastki te pochodzą z gwiazd i zdarzeń wysokoenergetycznych, takich jak supernowe. Dodatkowo, ze względu na ich naładowany charakter, na drogę promieni kosmicznych w przestrzeni wpływają pola magnetyczne zjawisk i obiektów międzygwiezdnych.
Szczegółowe obserwacje promieni kosmicznych mogą zatem nie tylko rzucić światło na pochodzenie tych cząstek, ale także rozszyfrować istnienie wysokoenergetycznych obiektów i zjawisk, takich jak pozostałości supernowych, pulsary, a nawet ciemna materia. Aby lepiej obserwować promieniowanie wysokoenergetyczne, Japonia, Włochy i USA wspólnie założyły w 2015 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej CALorymetryczny Teleskop Elektronowy (CALET).
W 2018 roku obserwacje widma protonów promieniowania kosmicznego od 50 GeV do 10 TeV ujawniły, że strumień cząstek protonów przy wysokich energiach był znacznie wyższy niż oczekiwano. Wyniki te odbiegały od konwencjonalnych modeli przyspieszania i propagacji promieniowania kosmicznego, które zakładają „pojedynczy rozkład potęgowy”, w którym liczba cząstek zmniejsza się wraz ze wzrostem energii.
W związku z tym w badaniu opublikowanym w 2022 r. zespół CALET, w tym naukowcy z Uniwersytetu Waseda, znalazł protony promieniowania kosmicznego w zakresie energii od 50 GeV do 60 TeV, aby postępować zgodnie z „prawem podwójnej zepsutej mocy”. Prawo to zakłada, że liczba cząstek wysokoenergetycznych początkowo wzrasta do 10 TeV (znane jako utwardzanie widmowe), a następnie maleje wraz ze wzrostem energii (znane jako zmiękczanie widmowe).
Rozszerzając te obserwacje, zespół odkrył teraz podobne tendencje widmowego utwardzania i zmiękczania w widmie helu promieniowania kosmicznego uchwyconym w szerokim zakresie energii, od 40 GeV do 250 TeV.
Badanie, którego wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters 27 kwietnia 2023 r., było prowadzone przez profesora nadzwyczajnego Kazuyoshi Kobayashi z Uniwersytetu Waseda w Japonii, przy współudziale emerytowanego profesora Shoji Torii, głównego badacza projektu CALET, również powiązanego z Uniwersytetem Waseda oraz Asystent naukowy Paolo Brogi z Uniwersytetu w Sienie we Włoszech.
„CALET z powodzeniem obserwował strukturę spektralną energii helu w promieniowaniu kosmicznym, zwłaszcza twardnienie widmowe począwszy od około 1,3 TeV i tendencję do zmiękczania począwszy od około 30 TeV” – mówi Kobayashi.
Obserwacje te opierają się na danych zebranych przez CALET na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w latach 2015-2022. Reprezentując największy jak dotąd zakres energii cząstek jądra kosmicznego helu, obserwacje te dostarczają dodatkowych dowodów na odchylenia strumienia cząstek od pojedynczej mocy model prawny. Naukowcy zauważyli, że odchylenie od oczekiwanego rozkładu mocy było większe niż osiem odchyleń standardowych od średniej, co wskazuje na bardzo niskie prawdopodobieństwo przypadkowego wystąpienia tego odchylenia.
Warto zauważyć, że początkowe wzmocnienie widmowe zaobserwowane w tych danych sugeruje, że mogą istnieć unikalne źródła lub mechanizmy odpowiedzialne za przyspieszanie i propagację jąder helu do wysokich energii. Odkrycie tych cech widmowych jest również poparte niedawnymi obserwacjami z Eksploratora cząstek ciemnej materii i kwestionuje nasze obecne rozumienie pochodzenia i natury promieni kosmicznych.
„Wyniki te znacząco przyczyniłyby się do zrozumienia przyspieszenia promieniowania kosmicznego w pozostałości po supernowej i mechanizmu propagacji” – mówi Torii.
Odkrycia te niewątpliwie poszerzają naszą wiedzę o Wszechświecie. Nawet gdy przygotowujemy się do załogowych misji na Księżyc i Marsa, rozkład energii cząstek promieniowania kosmicznego może również zapewnić dalszy wgląd w środowisko promieniowania w kosmosie i jego wpływ na astronautów.