Astronomowie zszokowani tajemniczym promieniem kosmicznym o ultrawysokiej energii – „Co się dzieje?”

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

W 1991 roku eksperyment oczny na Uniwersytecie Utah na Uniwersytecie Utah wykrył promienie kosmiczne o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Energia promieni kosmicznych, nazwana później cząstką o mój boże, zszokowała astrofizyków. Nic w naszej galaktyce nie ma energii, aby ją wyprodukować, a cząstka miała więcej energii, niż teoretycznie jest to możliwe dla promieni kosmicznych docierających na Ziemię z innych galaktyk. Krótko mówiąc, nie powinno być żadnych cząstek.

Tajemnice astronomii

Zestaw teleskopów zaobserwował ponad 30 promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii, choć żadne z nich nie osiągnęło energii na poziomie o mój boże. Żadne obserwacje nie ujawniły jeszcze ich pochodzenia ani sposobu, w jaki mogą podróżować na Ziemię.

Artystyczna wizja wysoce energetycznego promienia kosmicznego obserwowanego przez Surface Detection Array w ramach eksperymentu Telescope Array Experiment, nazwanego „cząstką Amaterasu”. Źródło: Osaka Metropolitan University/L-Inside, Uniwersytet w Kioto/Ryunosuke Takeshige

27 maja 2021 roku eksperyment Telescope Array wykrył promień kosmiczny o drugim największym natężeniu. 2,4 x 10 cali²⁰eV, energia tej pojedynczej cząstki subatomowej jest równoważna upuszczeniu cegły na palec u nogi z wysokości pasa. Zespół teleskopów, kierowany przez Uniwersytet Utah (Uniwersytet Utah) i Uniwersytet Tokijski, składa się z 507 stacji detekcji powierzchni obejmujących siatkę kwadratową o powierzchni 700 km.² (~270 mil²Utah na pustyni na zachód od stanu, poza Deltą. Zdarzenie uruchomiło 23 detektory w północno-zachodniej części układu teleskopów, oddalonego o 48 km.² (18,5 mil²), którego kierunek przybycia pochodzi z lokalnej pustki, pustego obszaru na granicy przestrzeni droga Mleczna Galaktyka.

„Cząstki są tak energetyczne, że nie powinno mieć na nie wpływu galaktyczne ani pozagwiazdowe pola magnetyczne. Można wskazać na niebie, skąd pochodzą” – powiedział John Matthews, współrzecznik układu teleskopów U’s i współautor książki badanie. „Ale cząstka o mój Boże i ta nowa. W przypadku cząstki śledzi się jej drogę z powrotem do źródła i nie ma wystarczająco dużej energii, aby ją stworzyć. Oto zagadka – co się dzieje?”

Cząstka Amaterasu

W swojej obserwacji opublikowanej w czasopiśmie 24 listopada 2023 r Naukaw ramach międzynarodowej współpracy badaczy opisało ultrawysokoenergetyczny promień kosmiczny, ocenił jego właściwości i doszedł do wniosku, że jest to rzadkie zjawisko, które wynika z nieznanej nauce fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy nazwali ją cząstką Amaterasu na cześć bogini słońca z mitologii japońskiej. Cząsteczki O mój Boże i Amaterasu wykryto przy użyciu różnych technik obserwacyjnych, co potwierdza, że ​​choć rzadkie, te ultrawysokoenergetyczne zdarzenia są rzeczywiste.

Astronomiczna ilustracja promienia kosmicznego o ultrawysokiej energii, mająca na celu wyjaśnienie zjawisk bardziej energetycznych w porównaniu ze słabszym promieniem kosmicznym uderzanym przez pola elektromagnetyczne. Źródło: Uniwersytet Metropolitalny w Osace/Uniwersytet w Kioto/Ryunosuke Takeshige

„Wydaje się, że te zdarzenia pochodzą z zupełnie innych miejsc na niebie. To nie jest tak, że istnieje tajemnicze źródło” – powiedział John Bells, profesor na UW i współautor badania. „Mogą to być wady w strukturze czasoprzestrzeń, zderzając kosmiczne struny.” To znaczy wypluwam szalone pomysły, które ludzie wpadają z powodu braku konwencjonalnego wyjaśnienia.

Akceleratory cząstek natury

Promienie kosmiczne to echa gwałtownych wydarzeń na niebie, które rozrywają materię do jej struktur subatomowych i przelatują przez wszechświat z prędkością bliską prędkości światła. Zasadniczo promienie kosmiczne to naładowane cząstki o szerokim zakresie energii, składające się z dodatnich protonów, ujemnych elektronów lub całych jąder, które podróżują przez przestrzeń i stale spadają na Ziemię.

Promienie kosmiczne uderzają w górną atmosferę Ziemi i rozrywają jądra tlenu i azotu, tworząc wiele cząstek wtórnych. Pokonują one pewną odległość do atmosfery i powtarzają proces, tworząc deszcz miliardów cząstek wtórnych, które rozpraszają się na powierzchni. Zasięg tego wtórnego prysznica jest ogromny i wymaga, aby detektory pokryły obszar tak duży jak układ teleskopów. Detektory powierzchniowe wykorzystują zestaw instrumentów, które dostarczają badaczom informacji o każdym promieniu kosmicznym; Czas sygnału pokazuje jego ścieżkę, a ilość naładowanych cząstek uderzających w każdy detektor ujawnia energię cząstki pierwotnej.

Ponieważ cząstki mają ładunek elektryczny, ich tor lotu przypomina kulę w flipperze, gdy poruszają się zygzakiem względem pól elektromagnetycznych kosmicznego mikrofalowego tła. Prześledzenie ścieżki większości promieni kosmicznych, które znajdują się na niskim i średnim końcu widma energetycznego, jest prawie niemożliwe. Nawet wysokoenergetyczne promienie kosmiczne są zniekształcane przez mikrofalowe tło. Cząstki o energii O mój Boże i Amaterasu są stosunkowo nieugięte w przestrzeni międzygalaktycznej. Tylko najpotężniejsze zjawiska niebieskie mogą je wytworzyć.

„Rzeczy, które ludzie uważają za energetyczne, jak supernowa, nie są do tego wystarczająco energetyczne. Potrzebujesz dużo energii, naprawdę dużo pól magnetycznych, aby kontrolować przyspieszanie cząstki” – powiedział Matthews.

Tajemnica ultrawysokoenergetycznych promieni kosmicznych

Promienie kosmiczne o ultrawysokiej energii muszą być większe niż 5 x 10¹⁹ E.V. Oznacza to, że cząstka subatomowa ma tę samą energię kinetyczną, co szybka piłka miotacza pierwszej ligi i miliony razy większą energię, niż jest w stanie osiągnąć jakikolwiek sztuczny akcelerator cząstek. Astrofizycy obliczyli tę teoretyczną granicę, znaną jako cięcie Griesena-Satzepina-Kuzmina (GZK), ponieważ jest to maksymalna energia, przy której proton może pokonać największą odległość, zanim interakcje mikrofalowego promieniowania tła zyskają energię. Znani kandydaci na źródła, tacy jak aktywne jądra galaktyczne lub czarne dziury z dyskami akrecyjnymi emitującymi strumienie cząstek, znajdują się 160 milionów lat świetlnych od Ziemi. Nowa cząstka ma wymiary 2,4 x 10²⁰ eV i cząstka 3,2 x 10 O mój Boże²⁰ eV z łatwością przekracza wartość odcięcia.

Naukowcy badają skład promieniowania kosmicznego w poszukiwaniu wskazówek na temat jego pochodzenia. Cięższa cząstka, taka jak jądra żelaza, jest cięższa, bardziej naładowana i bardziej podatna na uginanie się w polu magnetycznym niż lżejsze cząstki zbudowane z protonów z wodoru. Atom. Nową cząstką może być proton. Promieniowanie kosmiczne o energiach wykraczających poza granicę fizyki cząstek elementarnych GZK. Mikrofalowe tło jest wystarczająco silne, aby zniekształcić jego ścieżkę, ale jego ścieżka wskazuje z powrotem w stronę pustej przestrzeni.

„Być może pola magnetyczne są silniejsze, niż sądziliśmy, ale nie zgadza się to z innymi obserwacjami, które pokazują, że nie są one wystarczająco silne, aby wytworzyć znaczące zakrzywienie przy energiach dziesięciu do dwudziestu elektronowoltów” – powiedział Bells. „To prawdziwa tajemnica”.

Zbadaj i rozszerz zakres teleskopów

The Układ teleskopowy Ma wyjątkową pozycję do wykrywania promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii. Znajduje się na wysokości około 1200 m (4000 stóp), czyli na wysokości, w której cząstki wtórne pozwalają na maksymalny wzrost, ale zanim zaczną się rozkładać. Jego położenie na zachodniej pustyni w stanie Utah zapewnia idealne warunki atmosferyczne z dwóch powodów: suche powietrze jest ważne, ponieważ wilgoć pochłania światło ultrafioletowe potrzebne do wykrywania; Ciemne niebo nad regionem jest konieczne, ponieważ zanieczyszczenie światłem powoduje zbyt duży hałas i przesłania promienie kosmiczne.

Astrofizyków wciąż zadziwiają tajemnicze zjawiska. Zespół teleskopów jest w trakcie rozbudowy, która, jak mają nadzieję, pomoże rozwiązać sprawę. Po ukończeniu 500 nowych detektorów scyntylacyjnych rozszerzy układ teleskopów, aby wykrywać pęki cząstek indukowane promieniowaniem kosmicznym w odległości 2900 km.² (1100 mil² ), prawie wielkości Rhode Island. Większy obszar rejestruje więcej zdarzeń, które rzucają światło na to, co się dzieje.

Dowiedz się więcej o tym odkryciu:

Odniesienie: „Najbardziej energetyczny promień kosmiczny obserwowany przez układ detekcji powierzchniowej” 23 listopada 2023 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.abo5095