W 1912 roku, V.F. Hess podczas historycznego lotu balonem odkrył promieniowanie kosmiczne, zupełnie nową, nieoczekiwaną rzeczywistość fizyczną. Jego energetyczne spektrum obejmuje zakres od 10^9 eV do 10^21 eV i pomimo upływu 110 lat, pochodzenie i mechanizm powstawania, za wyjątkiem najmniej energetycznej części, pomimo bogatego zasobu teorii i materiału badawczego, nadal w znacznej mierze pozostaje w sferze spekulacji. Z całą pewnością, w złożoności poznanego do tej pory kosmosu, można wymienić wiele źródeł i mechanizmów powstawania promieniowania kosmicznego, i nadal są one odkrywane, ale zdecydowanie, zakres wysokoenergetyczny stwarza największy problem poznawczy. Celem niniejszej pracy jest próba wskazania dominującego źródła, zarówno pod względem wydajności jak i maksymalnie osiąganych energii cząstek.
Istnieje wiele faktów obserwacyjnych wiążących promieniowanie kosmiczne z centrum Drogi Mlecznej jako jego źródła.
1. Analiza obserwacji wykonanych przez obserwatorium H.E.S.S. w latach 2004- 2013 rzuca nowe światło na procesy tworzenia promieni kosmicznych w tym regionie. „Gdzieś w środkowym obszarze naszej Galaktyki o promieniu około 30 lat świetlnych znajduje się źródło zdolne do przyspieszania protonów do energii około petaelektronowolta. Tak dzieje się nieprzerwanie od co najmniej 1000 lat", mówi Emmanuel Moulin z centrum badań nuklearnych – CEA Saclay
2.Nadwyżka promieniowania gamma, pojaśnienie widma przy energiach kilku GeV w centrum Drogi Mlecznej, wykryta w 2009 roku. Nadwyżkę promieniowania gamma (GCE) tłumaczy się;
- anihilacją cząstek ciemnej materii
-emisją milisekundowych pulsarów
-Odwrotne rozpraszanie Comptona
3.Bąble Fermiego odkryte w 2010 roku, to dwa obszary przestrzeni w kształcie kul emitujące promieniowanie gamma i X, które rozciągają się na 25 000 lat świetlnych na północ i południe od centrum galaktyki.
Bąble Fermiego tłumaczone są formowaniem się gwiazd lub uwalnianiem energii w centrum galaktyki w wyniku pływowego rozerwania gwiazd podczas ich akrecji na centralną czarną dziurę. Podobne struktury można wykryć w innych galaktykach z aktywnymi jądrami.
4.Wokół supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A o masie 4,31±0,06 milionów mas Słońca w centrum Drogi Mlecznej, krążą dwa pierścienie gwiazd ciągu głównego typu O i B, a więc bardzo młodych. Obszar centralny Drogi Mlecznej Traktowany jest raczej jako cmentarzysko umierających gwiazd a tu mamy ewidentne złamanie tej zasady.
5.W centrum naszej Galaktyki znajduje się wiele obiektów zdolnych do wytwarzania promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, w tym: pozostałość supernowej, mgławica pulsarowa, czy zwarta gromada masywnych gwiazd, lecz to „supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum Galaktyki, oznaczana skrótem Sgr A*, jest najbardziej prawdopodobnym źródłem protonów PeV", mówi Felix Aharonian (Max Planck Institute for Nuclear Physics w Heidelbergu i Dublin Institute for Advanced Studies), dodając, że „możemy brać pod uwagę kilka potencjalnych obszarów przyspieszenia cząstek, zarówno w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury, ale i dalej, gdzie część materiału spadającego na czarną dziurę jest wyrzucana do otoczenia, co może inicjować przyspieszenie cząstek".
6. Z biegunów supermasywnych czarnych dziur w aktywnych kwazarach strzelają dżety, strumienie materii której nieznany mechanizm nadał niewyobrażalną energię w wyniku czego ich długość dochodzi do setek tysięcy lat świetlnych.
Mamy tu wyraźne, bardzo poważne przesłanki wskazujące źródło wysokoenergetycznych cząstek w Drodze Mlecznej, a mianowicie supermasywną czarną dziurę (SCD) Sagitarius A, ale lokalizację mechanizmu przyspieszenia poszukuje się w jej otoczeniu.
Teza tego artykułu jest następująca; dominującym pod względem wydajności, źródłem promieniowania kosmicznego są SCD, ale jedynym w zakresie wysokoenergetycznym, powyżej 10^18 eV, gdzie gigantyczne przyspieszenie cząstek następuje w ich wnętrzu po przekroczeniu promienia Schwarzschilda, przyciągane grawitacją nagiej czarnej dziury (CD) wzmocnione grawitacyjnym efektem Dopplera, a emisja po zderzeniu sprężystym ze zdegenerowaną materią nagiej CD czy też kolizją z inną cząstką tam akreującą, polega na przenikaniu dyfuzyjnym w sporadycznie powstających oknach składających się z losowo sumujących się nieciągłości grawitacji, a więc bez, lub z pewną utratą energii. Doszukiwanie się analogii do kwantowego efektu tunelowego jest tu chyba zasadne.
Teza wydaje się karkołomna ale czy istnieje inna możliwość?
Czy istnieje fizyczny proces który masę spoczynkową protonu,około 1 GeV wzmocni 1012 razy. Oddziaływanie grawitacyjne generuje jeden z największych paradoksów w fizyce. Z jednej strony jest najsłabszym oddziaływaniem, jego stała sprzężenia jest o 38 rzędów mniejsza od oddziaływania elektromagnetycznego, a z drugiej, akrecja jako zjawisko w istocie grawitacyjne, należy do najbardziej wydajnych energetycznie procesów, gdzie sprawność jest równa połowie ilorazu promienia Schwarzsdhilda do promienia obiektu, η=0,5rSCH / r, a akrecja na obiekty zwarte, takie jak CD czy gwiazdy neutronowe, jest porównywalna tylko z anihilacją, zostawiając daleko w tyle pozostałe oddziaływania i procesy fizyczne.
Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę po przekroczeniu której wszystko łącznie ze światłem znika bezpowrotnie (tu nic się nie zmienia). Aparat matematyczny Ogólnej teorii względności Alberta Einsteina wymusza bardzo poważne założenie ciągłości grawitacji. To założenie czyni tą teorię klasyczną i uniemożliwia jej wkomponowanie do mechaniki kwantowej, jak również powoduje że ta teoria nie widzi i chyba nie zobaczy niektórych zjawisk a w szczególności faktu że grawitacja nie jest w 100% szczelna ( dotyczy to wyłącznie wysokoenergetycznych cząstek) oraz efektu Dopplera który pojawi się w radialnym ruchu w procesie akrecji. Oddziaływanie grawitacji NCD z cząstką lub jądrem atomowym (atomy i masywne jądra rozerwą siły pływowe) musi uwzględniać mechanikę kwantową i efekty relatywistyczne. Nie ma kwantowej teorii grawitacji a w obliczeniach opartych na OTW pojawiają się osobliwości, niefizyczne wartości nieskończone.
Falowa teoria grawitacji dowodzi, że oddziaływanie grawitacyjne jest cyklicznie powtarzającą się falą kulistą kontrakcji ( izolowane piki), poruszającej się z prędkością światła, o częstości kołowej cząstki generującej te fale, powstającej na skutek całkowitej kontrakcji (zaniku) stałej objętości przestrzeni ΔQ = lp³, której energia maleje jak 1/r. Fala kulista kontrakcji posiada dwa parametry; długość fali Comptona cząstki elementarnej λ oraz długość piku kontrakcji L który maleje z kwadratem odległości r. L= lp³ / 4 π r² Oddziaływanie grawitacyjne dowolnych mas jest sumą fal kontrakcji wszystkich N cząstek w Kartezjańskim układzie współrzędnych, uwzględniając ich stan energetyczny oraz zjawiska falowe; interferencje, dyfrakcje, efekt Dopplera. Na jedną długość fali Comptona λ przypada dwa piki kontrakcji.
Jakikolwiek radialny ruch materii w polu grawitacyjnym na skutek efektu Dopplera będzie przyczyną zmiany długości dwóch parametrów fal kontrakcji (ten efekt będzie odbierany tylko przy ruchu względnym źródła i odbiornika). Przy ruchu do źródła skróci się zarówno długość fali Comptonaλ jak i dwa piki L(długości fali kontrakcji). Jednak ich wpływ na oddziaływanie grawitacyjne na poruszającą się materię będzie przeciwny.
Dla zbliżających się mas.
Analogicznie dla oddalających się mas.
Δg1=g0 (V/c+2(V/c) ² ) / (1+V/c)
g0- przyspieszenie grawitacyjne dla orbity kołowej przy zerowej prędkości wirowania V- względna prędkość c- prędkość światła
Przyspieszenie grawitacyjne na skutek grawitacyjnego efektu Dopplera dla zbliżających się mas (Rys. 1), do połowy prędkości c nieznacznie maleje, i dlatego przy akrecji nad horyzontem zdarzeń odgrywa niewielką rolę, ale po jej przekroczeniu bardzo szybko rośnie (mianownik dąży do zera). Trzeba zauważyć ze, bezwymiarowy iloraz ΣL / λ określa grawitację, i jego bardzo mała wartość pokazuje że nieciągłości są dominujące w tym oddziaływaniu (dla Słońca ΣL / λ =3,7E-42).
Rys.1. Wykres grawitacyjnego efektu Dopplera dla zbliżających się mas
Na rysunku nr 2 porównano schematyczny obraz; fotonu, grawitacji pojedynczej cząstki oraz grawitacji dowolnej masy a więc i nagiej czarnej dziury. Kluczową wielkością w tym procesie jest nieciągłość L1, w których zmieści się długość fali de Broglie'a poruszającego się nukleonu lub jądra, czy też kwantu gamma i która nie musi być całkiem pusta (grawitacja która jest mniejsza od wartości dla promienia Schwarzschilda), której wartość ma charakter losowy nawet dla NCD (rozkład przestrzenny zdegenerowanej materii, moment pędu a więc ruch,nieoznaczoność położenia, i, t d.), oraz jej wartość będzie rosła oddalając się od źródła. Biorąc pod uwagę fakt że grawitacja składa się w przeważającej części z nieciągłości rozbieżność między wartością średnią L1 a maksymalnymi losowymi uwzględniającymi powyższe założenia może być względnie bardzo duża, w skrajnym przypadku równa L1= λ – ΣL.
Rys. nr 2. Schematyczny obraz;(a) fotonu,(b) grawitacji pojedynczej cząstki (c ) grawitacji dowolnej masy
Jako że nie mamy teorii opisującej wnętrze czarnej dziury, przyjmuję, że promień nagiej czarnej dziury jest analogiczny do promienia jądra atomowego.
r= 1,2 10-15 A1/3 rN= 1,2 10-15 N1/3
A-liczba atomowa N-liczba nukleonów (neutronów) rN- promień nagiej czarnej dziury
Z całą pewnością, to założenie nie uwzględnia deformacji neutronu pod wpływem gigantycznego ciśnienia oraz zakłada idealną sprężystość i fakt że że neutron czy też jądro nie ulegnie rozbiciu czy też fragmentacji, co jak sądzę jest dalekim przybliżeniem rzeczywistości ale jest to jedyny realny, dostępny opis (analogia do gwiazd neutronowych). Formułę na promienia Schwarzschilda można zapisać nieco inaczej.
Tak na marginesie, w tej formule pojawia się iloraz 4 π lp2 N/ λ , innymi słowy, całkowita powierzchnia boczna ΔQ = lp³, odniesiona do długości fali Comptona λ nukleonów nagiej czarnej dziury. Wydaje mi się że natura chce nam coś zasugerować ale nie udało mi się tej sugestii odszyfrować.
Bardzo uproszczony model SCD opisują dwa parametry; promień Schwarzschilda rSCH, oraz promień nagiej CD (dla uproszczenia, bez momentu pędu), a w przestrzeni między nimi przebiega kontynuacja procesu akrecji który rozpoczął się powyżej horyzontu zdarzeń w wyniku których powstaje wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne. W tych rozważaniach interesują mnie energia procesu, dlatego też inne aspekty pomijam (np. czas). Jeżeli sprawność energetyczna akrecji poza CD jest równa połowie stosunku promienia Schwarzsdhilda do promienia powierzchni obiektu, η=0,5rSCH / r, to zakładam że wewnątrz ta formuła również obowiązuje, przy czym promieniem obiektu będzie rN. Jako że prędkości ruchu są bardzo bliskie prędkości światła, przyjmuję jeszcze jedno założenie że γ jest równe η.
Sprawność energetyczna akrecji na nagą czarną dziurę, rośnie bardzo szybko wraz z masą, innymi słowy SCD będą generować największe przyrosty energii. Na rysunku 3 zestawiłem obliczone wartości dla;Słońca, hipotetyczne CD dla której rn= rSCH, najmniejszej znalezionej CD Jednorożec, największej znalezionej CD, TON 618. Biorąc pod uwagę równoważność energii i masy, długość fali de Broglie'a będzie maleć zgodnie z λB = 4 λ / (rSCH / rN )3
Wnioski
1.Akrecja materii na nagą czarną dziurę jest najbardziej wydajnym procesem, który osiąga zawrotną sprawność η=0,25 (rSCH / rN )3 .
2. Kwazar PSO J352.4034-15.3373,jest około miliard razy masywniejszy niż Słońce i jest jednym z dwóch znanych kwazarów powstałych w ciągu pierwszego miliarda lat od wielkiego wybuchu. Jakim sposobem tak potężne czarne dziury były w stanie uformować się w tak krótkim czasie ? Biorąc pod uwagę równoważność energii i masy każdy akreujący nukleon gdy w końcu opadnie na nagą czarną dziurę zwiększa jej masę o czynnik η=0,25 (rSCH / rN )3, co w zupełności wystarczy do wyjaśnienia tego przyrostu ale do zbilansowania energetycznego całego procesu, należy uwzględnić również emitowane promieniowanie którego wartość wydaje się znacząca, jak również fakt że każdy kwant promieniowania reliktowego i każdego innego, który po wchłonięciu doznaje wzmocnienia zamieniając się w cząstkę γ, a 12 miliardów lat temu natężenie tego promieniowania było znacznie większe. Bilansowanie energetyczne procesu trwania i wzrostu supermasywnej CD będzie nie lada problemem.
4. Supermasywna CD TON 618 generuje niewyobrażalne wzmocnienie 1,4E+19 razy w konsekwencji strzela protonami o energii Plancka.
5. Supermasywna CD przenicowuje materię to znaczy wchłania dowolną materię i energię a emituje głównie protony które zderzając się z obłokami molekularnymi które z kolei emitują wtórne promieniowanie (analogia do wielkich pęków astronomicznych), a na końcu tego procesu pojawią się cząstki trwałe: kwanty gamma, protony + elektrony czyli wodór, materiał gwiazdotwórczy. Potwierdza to obserwowaną zależność; masy supermasywnej CD i wymiar zgrubienia galaktyk spiralnych są ze sobą skorelowane.
7. Trudno wyobrazić sobie takie obiekty z zerowym momentem pędu i dlatego ruch obrotowy materii CD powoduje że największe prawdopodobieństwo powstawania okien zdolnych pomieścić długość fali de Broglie'a λB będzie tam gdzie tego ruchu będzie najmniej a więc na biegunach. Wydaje się że to może mieć związek z mechanizmem powstawania dżetów w aktywnych kwazarach których długość dochodzi do setek tysięcy lat świetlnych. To nie wyklucza innych zjawisk i mechanizmów które tym dżetom towarzyszą. Współczesne obserwacje i pomiary ukazują dużą różnorodność dżetów.
7.Wartości średniej nieciągłości L1 i długość fali de Broglie'a λB wraz ze wzrostem masy zbliżają się do siebie i dlatego na końcu zestawienia umieściłem Wszechświat jako supermasywną CD przed wielkim wybuchem, a należy się spodziewać że w tym obszarze te obliczenia są mocno nie doszacowane. Być może, po osiągnięciu pewnej masy krytycznej, generowanie cząstek o tak gigantycznej energii gdzie wzmocnienie wynosi 2,2E+43, że zderzenie z nią czy też emisja wywoła reakcję łańcuchową, powodując w efekcie Wielki Wybuch.
Iwanowski Krzysztof