Astronomowie zszokowani tajemniczymi, niezwykle wysokoenergetycznymi promieniami kosmicznymi – „Co się do cholery dzieje?”

Druga po cząstce O mój Boże, nowo nazwana cząstka Amaterasu pogłębia tajemnicę pochodzenia, propagacji i fizyki cząstek rzadkich promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii.

W 1991 roku eksperyment Fly’s Eye na Uniwersytecie Utah ujawnił promienie kosmiczne o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Nazwana później cząstką O mój Boże, energia promieni kosmicznych zszokowała astrofizyków. Nic w naszej galaktyce nie było w stanie tego wyprodukować, a cząstka miała więcej energii, niż teoretycznie było to możliwe dla promieni kosmicznych docierających na Ziemię z innych galaktyk. Krótko mówiąc, cząstki nie powinno tam być.

Zagadki astronomiczne

Od tego czasu zestaw teleskopów wykrył ponad 30 wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, chociaż żadne nie osiągnęło poziomu energii. Żadne obserwacje nie ujawniły jeszcze ich pochodzenia ani sposobu, w jaki mogły podróżować na Ziemię.

Artystyczna ilustracja przedstawiająca wysokoenergetyczne promienie kosmiczne obserwowane przez układ detektorów powierzchniowych Teleskopu Array, zwane cząstkami Amaterasu. Źródło: Uniwersytet Metropolitalny w Osace/L-Insight, Uniwersytet w Kioto/Ryuunosuke Takeshige

27 maja 2021 roku eksperyment Telescope Array wykrył promień kosmiczny o drugiej najwyższej energii. Rozmiar 2,4 x 10²⁰Volt, energia tej pojedynczej cząstki subatomowej jest równoważna upuszczeniu kamienia na palec u nogi z wysokości pasa. Zestaw teleskopów, kierowany przez Uniwersytet Utah (U) i Uniwersytet Tokijski, składa się z 507 stacji detekcji powierzchni rozmieszczonych w kwadratowej siatce obejmującej 700 km² (~270 mil²) poza Deltą w stanie Utah, na zachodniej pustyni stanu. To zdarzenie uruchomiło 23 detektory w północno-zachodnim obszarze układu teleskopów, rozmieszczone na dystansie 48 km.² (18,5 mil²). Wydaje się, że kierunek jego przybycia pochodził z lokalnej pustki, pustego obszaru przestrzeni sąsiadującego z nią droga Mleczna galaktyka.

„Cząstki mają bardzo wysoką energię i nie powinny być podatne na działanie galaktycznych ani pozagalaktycznych pól magnetycznych. Powinny być w stanie wskazać, skąd na niebie pochodzą” – powiedział John Matthews, rzecznik Telescope Array na Uniwersytecie im. Kalifornia i współautor badania.Ale w przypadku cząstki Oh My God i tej nowej cząstki można prześledzić ją aż do źródła, a nie ma energii wystarczająco dużej, aby ją wyprodukować. Oto cała tajemnica – co się do cholery dzieje?

Cząstka Amaterasu

W swojej notatce opublikowanej 24 listopada 2023 r. w czasopiśmie Naukiw ramach międzynarodowej współpracy badaczy opisało niezwykle wysokoenergetyczne promienie kosmiczne, oceniło ich właściwości i doszło do wniosku, że rzadkie zjawiska mogą wynikać z nieznanej nauce fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy nazwali ją cząstką Amaterasu, na cześć bogini słońca z mitologii japońskiej. Cząsteczki O mój Boże i Amaterasu odkryto przy użyciu różnych technik obserwacyjnych, co potwierdza, że ​​te niezwykle wysokoenergetyczne zdarzenia, choć rzadkie, są rzeczywiste.

Artystyczna ilustracja astronomii ultraenergetycznych promieni kosmicznych w celu zilustrowania zjawisk wysokoenergetycznych w przeciwieństwie do słabszych promieni kosmicznych, na które wpływają pola elektromagnetyczne. Źródło: Uniwersytet Metropolitalny w Osace/Uniwersytet w Kioto/Ryuunosuke Takeshige

„Wydaje się, że te zdarzenia pochodzą z zupełnie różnych miejsc na niebie. To nie jest tak, że istnieje jedno tajemnicze źródło” – powiedział John Bales, profesor na UW i współautor badania. „Mogą to być niedoskonałości w strukturze czasoprzestrzeń, zderzenia kosmicznych strun. Mówię tylko o szalonych pomysłach, na które ludzie wpadają, bo nie ma konwencjonalnego wyjaśnienia.

Akceleratory cząstek naturalnych

Promienie kosmiczne to echa gwałtownych wydarzeń na niebie, które rozebrały materię do jej struktury subatomowej i rzuciły ją przez wszechświat z prędkością bliską prędkości światła. Promienie kosmiczne to zasadniczo naładowane cząstki o szerokim zakresie energii, składające się z dodatnich protonów, ujemnych elektronów lub całych jąder atomowych, które podróżują w przestrzeni i padają na Ziemię niemal bez przerwy.

Promienie kosmiczne uderzają w górną atmosferę Ziemi i eksplodują jądra tlenu i azotu, tworząc wiele cząstek wtórnych. Cząsteczki te pokonują niewielką odległość do atmosfery i powtarzają proces, tworząc deszcz miliardów cząstek wtórnych, które rozpraszają się na powierzchni. Powierzchnia tego wtórnego roju jest ogromna i wymaga, aby detektory pokryły obszar tak duży jak układ teleskopów. Detektory powierzchniowe wykorzystują kombinację urządzeń, które dostarczają badaczom informacji o każdym promieniu kosmicznym; Czas sygnału pokazuje jego ścieżkę, a ilość naładowanych cząstek uderzających w każdy detektor ujawnia energię cząstki elementarnej.

Ponieważ cząstki mają ładunek, ich tor lotu przypomina kulę w flipperze, która porusza się zygzakiem względem pól elektromagnetycznych przez kosmiczne mikrofalowe tło. Prześledzenie ścieżki większości promieni kosmicznych, które leżą na niskim i średnim końcu widma energetycznego, jest prawie niemożliwe. Nawet wysokoenergetyczne promienie kosmiczne są zniekształcane przez mikrofalowe tło. Cząsteczki zawierające energię O-Mój-Boże i Amaterasu przelatują przez przestrzeń międzygalaktyczną w stosunkowo niewygiętym kształcie. Tylko najpotężniejsze wydarzenia na niebie mogą je wytworzyć.

„Rzeczy, które ludzie uważają za aktywne, takie jak supernowe, nie mają wystarczającej energii, aby to zrobić. Potrzebujemy ogromnych ilości energii i bardzo silnych pól magnetycznych, aby uwięzić cząstkę podczas jej przyspieszania” – powiedział Matthews.

Sekret ultraenergetycznych promieni kosmicznych

Promienie kosmiczne o wysokiej energii muszą przekraczać 5 x 10¹⁹ Wolt. Oznacza to, że pojedyncza cząstka subatomowa niesie tę samą energię kinetyczną, co szybka piłka głównego gracza ligowego i ma dziesiątki milionów razy więcej energii, niż mógłby osiągnąć jakikolwiek sztuczny akcelerator cząstek. Astrofizycy obliczyli tę teoretyczną granicę, znaną jako granica Gryssena-Zatsepiana-Kuzmina (GZK), jako maksymalną ilość energii, jaką proton może przenosić podczas podróży na duże odległości, zanim mikrofalowe interakcje promieniowania tła odbiorą jego energię. Znane potencjalne źródła, takie jak aktywne jądra galaktyczne lub czarne dziury z dyskami akrecyjnymi emitującymi strumienie cząstek, znajdują się zwykle w odległości ponad 160 milionów lat świetlnych od Ziemi. Nowa cząstka ma wymiary 2,4×10²⁰ Wolt i cząstka, o mój Boże, 3,2 x 10²⁰ Napięcie z łatwością przekracza wartość odcięcia.

Naukowcy analizują także skład promieni kosmicznych w poszukiwaniu wskazówek na temat ich pochodzenia. Cięższe cząstki, takie jak jądra żelaza, są cięższe, mają większy ładunek i częściej uginają się w polu magnetycznym niż lżejsze cząstki zbudowane z protonów wodoru. kukurydza. Nowa cząstka będzie prawdopodobnie protonem. Fizyka cząstek elementarnych mówi, że promień kosmiczny o energii przekraczającej granicę GZK jest tak silny, że mikrofalowe tło nie może zniekształcić jego ścieżki, lecz wyznacza jego ścieżkę w pustej przestrzeni.

„Pola magnetyczne mogą być silniejsze, niż sądziliśmy, ale jest to niezgodne z innymi obserwacjami, które pokazują, że nie są one wystarczająco silne, aby wytworzyć znaczną krzywiznę przy energiach od 10 do 20 MeV” – powiedział Bales. „To prawdziwa tajemnica”.

Rozwiń wyszukiwanie i tablicę teleskopów

the Układ teleskopowy Ma wyjątkową pozycję do wykrywania promieni kosmicznych o bardzo wysokiej energii. Znajduje się na wysokości około 1200 metrów (4000 stóp), co jest idealnym punktem wzniesienia, który umożliwia maksymalny rozwój cząstek wtórnych, ale zanim zaczną się rozpadać. Jego położenie na zachodniej pustyni w stanie Utah zapewnia idealne warunki pogodowe z dwóch powodów: suche powietrze ma kluczowe znaczenie, ponieważ wilgoć pochłania światło ultrafioletowe potrzebne do wykrywania; Ciemne niebo jest konieczne, ponieważ zanieczyszczenie światłem będzie powodować dużo hałasu i blokować promienie kosmiczne.

Astrofizyków wciąż intryguje to tajemnicze zjawisko. Zespół teleskopów jest w trakcie procesu ekspansji, który, jak mają nadzieję, pomoże rozwiązać ten problem. Po ukończeniu 500 nowych detektorów scyntylacyjnych rozszerzy układ teleskopu i będzie badał pęki cząstek generowanych przez promienie kosmiczne na dystansie 2900 kilometrów.² (1100 mil² ), obszar mniej więcej wielkości stanu Rhode Island. Mamy nadzieję, że większy ślad uchwyci więcej wydarzeń, które rzucą światło na to, co się dzieje.

Więcej o tym odkryciu:

Odniesienie: „Niezwykle energetyczny promień kosmiczny wykryty przez układ detektorów powierzchniowych” 23 listopada 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.abo5095