Kopanje duboko za našu galaktičku prošlost

Tipično, astronomi gledaju u prošlost gledajući duboko u svemir i promatrajući svjetlost koja je trebala milijarde godina da stigne iz dalekih galaksija, pa čak i samog Velikog praska.

Ali kako proučiti povijest nečega što je više u blizini - recimo, unutar galaksije Mliječni put, koja je široka samo stotinu tisuća svjetlosnih godina? Ili naše Sunce, koje je udaljeno samo osam svjetlosnih minuta?

"Poznato je da je naše Sunce, na primjer, mnogo manje aktivno od sličnih zvijezda. Tipična zvijezda nalik Suncu ima varijaciju u zračenju od možda posto ili tako nešto. Za Sunce to je bliže trećini jednog postotka", rekao je Paul Evenson, astrofizičar sa Sveučilišta Delaware u Newarku koji nije bio uključen u najnoviji rad. "Dakle, je li naše Sunce uvijek bilo ovako tiho magnetski? To bi bilo zanimljivo znati."

Srećom, postoji još jedna skupina znanstvenika koja je navikla raditi s ovakvom vremenskom skalom bliže domu - geolozi. Stijene na našoj planeti, stare i do nekoliko milijardi godina, mogu nositi tragove koje su kozmičke zrake ostavile tijekom svog života, a mogu se analizirati kako bi otkrile našu galaktičku prošlost.

Kozmičke zrake su visokoenergetske čestice koje se prostiru svemirom blizu brzine svjetlosti, i neprestano zasipaju naš planet. Ovo nemilosrdno bombardiranje stvara pljusak sekundarnih čestica u atmosferi koje padaju na tlo, i prema novom radu, ostavlja iza sebe trajne tragove u kristalima.

Nisu svi tragovi koje su ostavile ove sekundarne čestice korisni. Na primjer, kristali pronađeni blizu Zemljine površine sadržavali bi tragove iz različitih izvora, što bi ih učinilo teškim za analizu. To je razlog zašto bi netko mogao željeti kopati duboko.

Neutrini su jedne od čestica nastali udarom kozmičkih zrake u našu atmosferu. Za razliku od ostalih čestica, neutrini su tako slabo interaktivni da lako mogu proći kroz cijeli naš planet bez da nalete na atom. Ova slaba interaktivnost neutrina je dvosjekli mač. To otežava promatranje neutrina, jer bi većina njih prošla kroz detektor, ali također pruža jedinstven način za njihovo prikazivanje - tražeći ih pod zemljom, na dubinama do kojih ne mogu doći druge čestice.

Novi rad sugerira da bi znanstvenici trebali moći dokućiti intenzitet kozmičkih zraka u posljednjih milijardu godina brojanjem tragova koje su ostavili atmosferski neutrini u dubokim podzemnim kristalima. Istraživači bi, u teoriji, mogli odrediti starost pojedinih kristala pomoću radioaktivnih spojeva, zatim izbrojati tragove neutrina unutar kristala i iz toga zaključiti kako se nalet kozmičkih zraka s vremenom promijenio.

Na primjer, ako imate dva kristala otprilike iste veličine, s jednim koji prikazuje 200 tragova od prije milijardu godina, i jednim koji pokazuje 300 tragova od prije 1,1 milijardu godina, tada biste mogli reći da se nešto dogodilo tijekom intervenirajućih vremena što je povećalo tok kozmičkih zraka koje su stigle do Zemlje. Također biste mogli vidjeti bilo kakve dugoročnije promjene u prosječnom priljevu kozmičkih zraka tijekom
vremena.

"Izvori kozmičkih zraka u velikoj su mjeri još uvijek otvoreno pitanje", rekao je Johnathan Jordan, fizičar sa Sveučilišta Michigan u Ann Arboru. "Očekuje se da će eksplozije supernove biti dio izvora kozmičkih zraka. I onda, naravno, magnetsko polje Sunca i Zemlje također igra veliku ulogu u oblikovanju načina na koji kozmičke zrake ulaze u našu atmosferu."

"Postoje slične metode, za proučavanje kozmičkih zraka, koje koriste godove ili prstenove drveća i sedimente, a možda i ledene jezgre, ali njihove vremenske skale su u rasponu od sto tisuća do nekoliko milijuna godina, a ne milijarde", kazao je Evenson. Metode koje gledaju dalje u prošlost mogle bi dati podatke o povijesti aktivnosti Sunca koji mogu rasvijetliti dugoročne klimatske fluktuacije našeg planeta.

"Postoji šala koju često govorim svojim studentima, možda prečesto, a ta je moj recept za gulaš od zeca", rekao je Evenson. "Prva stavka u receptu je: Uhvatite zeca."

Lekcija, koja se ovdje primjenjuje na tragove neutrina je: prvo pronađite kristale. Postoje podzemni laboratoriji ili bušotine u kojima bi istraživači mogli locirati uzorke, rekao je Jordan, pod uvjetom da znanstvenici imaju mogućnost iskopati ih i analizirati upravo tada i tamo. "U osnovi, ne možete iznijeti uzorak na površinu i transportirati ga u drugi laboratorij na analizu, jer čim ga iznesete na površinu, pokvarit će ga sve vrste pozadinskog zračenja."

Iako se to još uvijek može činiti donekle izvedivim s obzirom na broj podzemnih laboratorija koji već postoje, postoji druga stvar koja može dodatno zakomplicirati logistiku predloženog eksperimenta: za kozmičke zrake unutar energetskog raspona relevantnog za eksperiment, učinci ovisni o geografskoj širini zbog Zemljinog geomagnetskog polja imali bi značajan utjecaj.

"Dakle, ako biste pogledali uzorak u Japanu u usporedbi s, recimo, negdje u Južnoj Americi, mogli biste vidjeti neke vrlo različite brojeve", rekao je Thomas Gaisser, astrofizičar također sa Sveučilišta u Delawareu. I Gaisser i Evenson radili su za opservatorij IceCube neutrino, koji koristi detektore zakopane kilometrima duboko u antarktičkom ledu kako bi uhvatio kratke bljeskove koje su proizveli neutrini.

Da bi se dobila dobra slika cijelog planeta, idealno bi bilo kada bi dobili potrebne uzorke iz cijelog svijeta. Međutim, ako se to ne može postići, rekao je Jordan, znanstvenici još uvijek mogu dobiti neku predodžbu o lokalnim geomagnetskim učincima gledajući kraće "pozadinske" tragove drugih čestica, barem kvalitativno.

Prema procjeni rada, komad soli stare milijardu godina od 100 grama trebao bi sadržavati oko 60.000 tragova iz atmosferskih neutrina. Iako se broj čini velikim, to znači samo jednu stazu na svakih 16.667 godina.

U kombinaciji s drugim nesigurnostima kao što je datiranje uzorka, razlučivost vremena još je niža. Iako se neke od tih neizvjesnosti mogu ublažiti većim uzorcima, koje bi bilo teže dobiti i analizirati, neke, poput neizvjesnosti u vezi s datiranjima, "pojavit će se bez obzira na sve", rekao je Jordan. Međutim, dodao je da će metoda biti korisna za promjene tijekom desetaka milijuna godina, budući da je naš Sunčev sustav posjetio različite dijelove Mliječne staze tijekom svoje 230 milijuna godina duge orbite.

"Mi smo u fazi u kojoj govorimo, 'evo slučaja za fiziku da riješi'. Međutim, kada je riječ o stvarnoj logistici eksperimenata, još uvijek nismo tamo", rekao je Jordan.