Ο ουρανός από πάνω μας βρέχει μέρα και νύχτα μια πληθώρα υποατομικών σωματιδίων, που σχηματίζονται, όταν σωματίδια υψηλής ενέργειας, προερχόμενα βαθιά μέσα από το διαστημικό χώρο, προσκρούουν πάνω στα μόρια των ανώτερων στρωμάτων της γήινης ατμόσφαιρας. Μερικά από τα πρωτογενή σωματίδια των κοσμικών ακτίνων είναι τόσο υψηλής ενέργειας, που, με βάση τους γνωστούς νόμους της φυσικής, ίσως δε θα έπρεπε καν να έκαναν την εμφάνισή τους στις παρυφές της ατμόσφαιρας της Γης. Οι απόψεις των φυσικών διίστανται πάνω στο θέμα των κοσμικών ακτίνων και τις ενδεχόμενες πηγές προέλευσής τους. Εκεί που συμφωνούν είναι ότι η βαθύτερη κατανόησή τους μπορεί να επηρεάσει τα βάθρα της σημερινής φυσικής υποατομικών σωματιδίων.

Η ύπαρξη των κοσμικών ακτίνων είναι γνωστή από το 1912, αλλά μόλις πριν από μια δεκαετία οι ενδείξεις από όργανα μέτρησης που βρίσκονταν αντιδιαμετρικά πάνω στην υδρόγειο έδειξαν την ύπαρξη απίστευτα μεγάλης ενέργειας κοσμικών ακτίνων. Τα σωματίδια των ακτίνων αυτών μπήκαν στην ατμόσφαιρα με την ενέργεια που έχει ένα μπαλάκι του τένις που κινείται με 160 χιλιόμετρα την ώρα, τεράστια ποσότητα όταν ο φορέας της είναι ένα μικροσκοπικό σωματίδιο. Ο φυσικός υψηλών ενεργειών Τζέιμς Κρόνιν δηλώνει χαρακτηριστικά ότι «με όσα ξέρουμε για τις αστροφυσικές οντότητες δεν μπορούμε ακόμα να καταλάβουμε πώς μπορούν αυτές να επιταχύνουν σωματίδια σε τέτοιες ενέργειες».

Οι φυσικοί γνωρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι τα σωματίδια των κοσμικών ακτίνων είναι κυρίως πυρήνες υδρογόνου, δηλαδή πρωτόνια και καμιά φορά και πυρήνες βαρύτερων στοιχείων. Η μεγάλη πλειοψηφία των κοσμικών ακτίνων δεν είναι πολύ υψηλής ενέργειας. Κυμαίνονται από 1 GeV (δισεκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ) και φτάνουν μέχρι τα 10.000.000 GeV. Αν και οι ενέργειες αυτές είναι μεγαλύτερες από εκείνες που μπορεί να φτάσει ο ισχυρότερος επιταχυντής πάνω στη Γη, οι κοσμικές ακτίνες δεν αποτελούν κίνδυνο για τη βιόσφαιρα. Κάθε σύγκρουσή τους με μόρια ψηλά στην ατμόσφαιρα παράγει ένα χείμαρρο άλλων συγκρούσεων, μια αλυσιδωτή αντίδραση που μοιράζει την ενέργεια του αρχικού σωματιδίου σε δισεκατομμύρια παράγωγα σωματίδια.

Οι πηγές των κοινών, χαμηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων δεν είναι ιδιαίτερα μυστηριώδεις. Πολλά από τα σωματίδια αυτά προέρχονται από το διαστρικό κενό, όπου σε κάποια φάση βρέθηκαν στην επίδραση ισχυρών πεδίων μέσα στα γρήγορα εκτεινόμενα ωστικά κύματα των υπερκαινοφανών αστέρων (σουπερνόβα) και επιταχύνθηκαν. Ο Ηλιος μας μπορεί επίσης να παράγει σωματίδια αρκετά μεγάλης ενέργειας μέσα στις ηλιακές φλόγες ή να τα επιταχύνει με τον ηλιακό άνεμο, ένα ρεύμα πλάσματος που διαρρέει συνεχώς στο Διάστημα. Αλλά κανένας από αυτούς τους ουράνιους επιταχυντές δεν έχει αρκετή ισχύ για να επιταχύνει σωματίδια στα 300 δισεκατομμύρια GeV, όπως εκείνα που κατέγραψε ένας ανιχνευτής στη Γιούτα των ΗΠΑ το 1991.

Υπάρχουν, βέβαια, άλλες πηγές ενέργειας μέσα στο σύμπαν που θα μπορούσαν να προσφέρουν την απαραίτητη επιτάχυνση. Οι τεράστιοι γαλαξιακοί πυρήνες που ονομάζονται κβάζαρ και οι αστρικές εκρήξεις που δημιουργούν τις εκπομπές ακτίνων γάμα είναι δυο τέτοιες πηγές. Αλλά αυτά τα κατακλυσμικά φαινόμενα απέχουν δισεκατομμύρια έτη φωτός από τον πλανήτη μας και επιπλέον είναι γνωστό ότι οι υπερυψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες δυσκολεύονται να ταξιδέψουν πολύ μακριά (με τα αστρονομικά μέτρα πάντοτε). Ειδικότερα, οι ακτίνες με ενέργεια πάνω από 50 δισεκατομμυρίων GeV συγκρούονται με τα φωτόνια της κοσμικής ακτινοβολίας υπόβαθρου, με αποτέλεσμα, όταν έχουν διανύσει 150 εκατομμύρια έτη φωτός να έχουν χάσει αρκετή ενέργεια, ώστε να μη συγκαταλέγονται πια στην υπερυψηλή κατηγορία.

Οι ερευνητές στη Γιούτα υπέθεσαν ότι κάποιο πρόβλημα έπρεπε να υπάρχει με τα όργανα μέτρησης. Οταν μετά από δύο χρόνια ενδελεχούς ελέγχου δε διαπίστωσαν κανένα ψεγάδι δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους. Δεν άργησε να έρθει μια νέα μέτρηση, από την Ιαπωνία αυτή τη φορά, που κατέγραψε δύο ακτίνες περίπου ίδιας ενέργειας, στην κατηγορία των υπερυψηλών. Σήμερα, υπάρχει τουλάχιστον μια δεκάδα αδιαμφισβήτητων καταγραφών για τέτοιου είδους κοσμικές ακτίνες. Γιατί μόνο μια δεκάδα; «Το πρόβλημα είναι ότι αυτά τα σωματίδια είναι εξαιρετικά σπάνια», λέει ο αστροφυσικός Μπομπ Στρέιτματερ, υπεύθυνος του εργαστηρίου κοσμικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας της NASA. Ο ουρανός μπορεί να είναι γεμάτος από κοσμικές ακτίνες χαμηλής ενέργειας, αλλά οι υπερυψηλής καταφτάνουν με ρυθμό 2 ή 3 ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά αιώνα. Ετσι οι ανιχνευτές πρέπει να σαρώνουν τεράστιες περιοχές της ατμόσφαιρας ή του εδάφους για να έχουν κάποια πιθανότητα να καταγράψουν μια κοσμική ακτίνα υπερυψηλής ενέργειας.

Το χαρακτηριστικό σημάδι για το οποίο ανιχνεύουν είναι η αλυσιδωτή αντίδραση που δημιουργεί μια πολύ ισχυρή κοσμική ακτίνα, με αποτέλεσμα να φτάνει μια βροχή υποατομικών σωματιδίων μέχρι την επιφάνεια της Γης. Η βροχή των σωματιδίων, αν ήταν ορατή θα διαρκούσε μόλις 10 έως 100 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Μετά την αρχική σύγκρουση, δευτερογενείς συγκρούσεις με άτομα αζώτου της ατμόσφαιρας εκλύουν ριπές υπεριώδους φωτός κοντά στην κορυφή του κώνου.

Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα των αβέβαιων καταγραφών και να υπάρξουν περισσότερα βεβαιωμένα στοιχεία προς ανάλυση, 200 φυσικοί από 15 χώρες κατασκευάζουν ένα όργανο που συνδυάζει όλες τις υπάρχουσες τεχνικές καταγραφής κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας. Πρόκειται για το Παρατηρητήριο Κοσμικών Ακτίνων Πιερ Οζέρ, που πήρε τ' όνομά του από τον Γάλλο επιστήμονα που ανακάλυψε τη βροχή σωματιδίων στη δεκαετία του 1930. Οταν ολοκληρωθεί το 2005 θα καταλαμβάνει έκταση 3.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων στις πάμπας της Αργεντινής. Ενα ακόμα πιο φιλόδοξο σχέδιο είναι αυτό της NASA, που προβλέπει τη χρήση δορυφόρων για την παρατήρηση μεγάλων περιοχών της ατμόσφαιρας από πάνω. Τέλος, ένα άλλο όργανο μεγάλης ακρίβειας, προερχόμενο από την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία, ίσως εγκατασταθεί στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό το 2008. Οι λεπτομερείς μετρήσεις από τους ανιχνευτές νέας γενιάς θα βοηθήσουν τους αστροφυσικούς να αξιολογήσουν τις προτεινόμενες θεωρίες για τις πηγές των κοσμικών ακτίνων.