Kuvan luotto: NASA
Tähtitieteilijät uskovat, että gammasäteen purskeet, maailmankaikkeuden voimakkaimmat räjähdykset, voivat tuottaa erittäin korkean energian kosmisia säteitä, maailmankaikkeuden energisimpia hiukkasia. NASA: n kiertämän Compton Gamma-Ray -seurantakeskuksen keräämät todisteet osoittivat, että yhdessä gammasätepurskeen tapauksessa nämä korkeaenergiset hiukkaset hallitsivat aluetta, joka antoi yhteyden niiden välille, mutta tämä on tuskin tarpeeksi todisteita sanoakseen, että ne ovat lopullisesti yhteydessä toisiinsa .
Universumin tehokkaimmat räjähdykset, gammasäteilypurskaukset, voivat tuottaa maailmankaikkeuden energiatehokkaimpia hiukkasia, joita kutsutaan ultraenergisiksi kosmisiksi säteiksi (UHECR), NASA: n Compton Gamma-Ray Observatoryn uuden havaintoanalyysin mukaan.
Tutkijat kertovat Nature-elokuun 14. lehden julkaisussa äskettäin tunnistetusta kuviosta näiden arvoituksellisten purskeiden valossa, jotka voidaan selittää protoneilla, jotka liikkuvat hiuksen valonopeuden sisällä.
Nämä protonit, kuten räjähdyksen aiheuttama sirpale, voivat olla UHECR-proteiineja. Tällaiset kosmiset säteet ovat harvinaisia ja muodostavat astrofysiikassa pysyvän mysteerin, joka näennäisesti uhmaa fyysistä selitystä, koska ne ovat yksinkertaisesti aivan liian energisiä, jotta ne voidaan tuottaa tunnetuilla mekanismeilla, kuten supernoovan räjähdyksillä.
"Kosmiset säteet unohtavat sen, mistä ne tulevat, koska toisin kuin valo, ne ruosutetaan avaruudessa magneettikentän avulla", sanoi johtava kirjailija Maria Magdalena Gonzalez New Alaxon Los Alamosin kansallisesta laboratoriosta ja jatko-opiskelija Wisconsinin yliopistossa. "Tämä tulos on jännittävä tilaisuus nähdä mahdollisesti todisteita siitä, että heidät tuotetaan niiden lähteellä."
Gammasäteilypurskaukset - mysteerit, joiden tutkijat ovat vihdoin alkamassa selvittää - voivat paistaa yhtä loistavasti kuin miljoona biljoonaa aurinkoa, ja monet voivat olla epätavallisen voimakkaan räjähtävän tähden tyyppiä. Purskeet ovat yleisiä, mutta satunnaisia ja ohimeneviä, ja kestävät vain sekuntia.
Kosmiset säteet ovat atomihiukkasia (esimerkiksi elektroneja, protoneja tai neutriinoja), jotka liikkuvat lähellä valonopeutta. Matalamman energian kosmiset säteet pommittavat maata jatkuvasti auringonvalon ja tyypillisten tähden räjähdysten avulla. UHECR: t, jokaisella atomihiukkasella, joka kuljettaa suurissa legoissa heitetyn baseballin energiaa, ovat sata miljoonaa kertaa energiatehokkaammat kuin hiukkaset, jotka tuotetaan suurimmissa ihmisen tekemissä hiukkaskiihdyttimissä.
Tutkijoiden mukaan UHECR-arvot on tuotettava suhteellisen lähellä maapalloa, sillä kaikki yli 100 miljoonan valovuoden päässä kulkevat hiukkaset menettäisivät osan energiastansa siihen mennessä, kun ne saavuttavat meille. Mikään paikallinen lähde tavallisista kosmisista säteistä ei kuitenkaan näytä tarpeeksi voimakkaalta UHECR: n luomiseksi.
Gonzalezin johtama paperi ei keskity erityisesti UHECR-tuotantoon, vaan pikemminkin uuteen valokuvioon, joka näkyy gammasäteilypurskeessa. Kaivautuen syvälle Comptonin observatorion arkistoihin (operaatio päättyi vuonna 2000), ryhmä havaitsi, että vuodesta 1994 peräisin oleva gammasätepurske, nimeltään GRB941017, näyttää erilaiselta muista tämän avaruusaluksen 2700-eräistä purskeista. Tämä purske sijaitsi Sagitta-tähdistön, nuolen, suunnassa, todennäköisesti kymmenen miljardin valovuoden päässä.
Se mitä tutkijat kutsuvat gammasäteiksi, ovat fotonit (valohiukkaset), jotka peittävät monenlaisia energioita, itse asiassa yli miljoona kertaa leveämpiä kuin energiat, joita silmämme rekisteröivät sateenkaaren väreinä. Gonzalezin ryhmä tarkasteli korkeamman energian gammasädefotoneja. Tutkijat havaitsivat, että tämäntyyppiset fotonit hallitsivat purskeita: Ne olivat keskimäärin vähintään kolme kertaa tehokkaampia kuin pienemmän energian komponentti, mutta yllättäen tuhansia kertoja voimakkaampia noin 100 sekunnin kuluttua.
Toisin sanoen, vaikka satelliitin ilmaisimiin osuvien pienemmän energian fotonien virtaus alkoi helpottua, korkeamman energian fotonien virtaus pysyi tasaisena. Löytö on ristiriidassa suositun "synkrotronisokkimallin" kanssa, joka kuvaa eniten purskeita. Joten mikä voisi selittää tämän korkeamman energian fotonien rikastumisen?
"Yksi selitys on, että erittäin korkeaenergiset kosmiset säteet ovat vastuussa, mutta se, kuinka ne luovat gammasäteet näkemillämme energiamalleilla, vaatii paljon laskentaa", kertoi tohtori Brenda Dingus LANL: stä, paperin avustaja. "Pidämme jotkut teoreetikot kiireisenä yrittäessään selvittää tämä."
Erittäin korkean energian elektronien viivästynyt injektio tarjoaa toisen tavan selittää odottamattoman suuren energian gammasätevirran, joka havaitaan GRB 941017: ssä. Mutta tämä selitys vaatisi standardipurskemallin tarkistamista, kirjoittanut tohtori Charles Dermer, teoreettinen astrofysiikko Yhdysvaltain merivoimien tutkimuslaboratoriossa Washingtonissa. "Kummassakin tapauksessa tämä tulos paljastaa uuden prosessin, joka tapahtuu gammasäteilypurskeissa", hän sanoi.
Gamma-säteilypurskeita ei ole havaittu tulevan 100 miljoonan valovuoden päässä maasta, mutta eoneiden kautta tämäntyyppiset räjähdykset ovat saattaneet tapahtua paikallisesti. Jos näin oli, Dingus sanoi, mekanismi, jonka hänen ryhmänsä näki GRB 941017: ssä, olisi voinut kopioida lähelle kotia, riittävän lähellä toimittamaankseen nykyiset UHECR-arvot.
Muilla purskeilla Comptonin observatorion arkistossa on saattanut olla samanlainen kuvio, mutta tiedot eivät ole vakuuttavia. NASA: n vuonna 2006 avattavan Gamma-ray-avaruus teleskoopin (GLAST) on riittävän tehokkaita ilmaisimia korkeamman energian gammasäteilyfotonien ja tämän mysteerin ratkaisemiseksi.
Nature-raportin yhteistekijöihin kuuluu myös tohtori. jatko-opiskelija Yuki Kaneko, tohtori Robert Preece ja tohtori Michael Briggs Alabaman yliopistosta Huntsvillessä. Tätä tutkimusta rahoittivat NASA ja Naval Research Office.
UHECR-arvot havaitaan, kun ne törmäävät ilmapiiriimme, kuten kuvassa esitetään. Törmäyksestä syntyvä energia tuottaa miljardien subatomien hiukkasten ja ultraviolettivalon välähdysilmasuihkun, joka havaitaan erityisillä instrumenteilla.
Kansallinen tiedesäätiö ja kansainväliset yhteistyökumppanit ovat sponsoroineet paikan päällä olevia välineitä, kuten High Resolution Fly's Eye Utahissa (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) ja Augerin observatorio Argentiinassa (http: / /www.auger.org/). Lisäksi NASA tekee yhteistyötä Euroopan avaruusjärjestön kanssa sijoittaakseen Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) kansainväliselle avaruusasemalle. Ehdotettu OWL-operaatio näyttäisi kiertoradalta alaspäin kohti suihkut, katsomalla yhtä suurta aluetta kuin Texas.
Nämä tutkijat tallentavat välähdykset ja laskevat subatomisen sirpaleen laskennan työskennellessään taaksepäin laskeakseen kuinka paljon energiaa yksi hiukkas tarvitsee ilmakehän kaskadin tekemiseksi. Ne saapuvat järkyttävään lukuun, joka on 10 ^ 20 elektronvolttia (eV) tai enemmän. (Vertailun vuoksi, keltaisen valon hiukkasten energia on 2 eV, ja televisiosi elektronit ovat tuhansien elektrovoltien energia-alueella.)
Nämä erittäin korkean energian hiukkaset kokevat omituisia vaikutuksia, jotka Einsteinin teoria erityisrelatiivisuudesta ennustaa. Jos voisimme tarkkailla heitä tulevan kosmoksen etäältä, esimerkiksi sadan miljoonan valovuoden päässä, meidän olisi oltava kärsivällisiä - matkan loppuunsaattaminen vie sata miljoonaa vuotta. Kuitenkin, jos voisimme matkustaa hiukkasten kanssa, matka on ohitettu alle päivässä johtuen nopeasti liikkuvien kohteiden ajan laajenemisesta tarkkailijan mittaamana.
Korkeimman energian kosmiset säteet eivät voi edes tavoittaa meitä, jos ne on tuotettu etäisistä lähteistä, koska ne törmäävät ja menettävät energian kosmosta muodostuvien mikroaaltouunien fotonien kanssa, jotka ovat jääneet isosta bangista. Näiden kosmisten säteiden lähteet on löydettävä suhteellisen lähellä meitä, useiden satojen miljoonien valovuosien etäisyydellä. Tähtiä, jotka räjähtävät gammasäteilyn purskeina, löytyy tältä etäisyydeltä, joten intensiivisiä havainnollisia ponnistuksia etsitään gammasäteen purskeiden jäännösten erottamiseksi kosmisten säteiden tuottamista säteilyhalogeista.
Harvalla taivaankappaleella on äärimmäiset olosuhteet, joita tarvitaan hiukkasten räjäyttämiseen UHECR-nopeuteen. Jos gammasädepurskeet tuottavat UHECR-reaktioita, ne todennäköisesti tekevät niin kiihdyttämällä räjähdyksestä poistuneiden ainesuihkujen hiukkasia lähellä valon nopeutta. Gammasäteilypurskeilla on voimaa kiihdyttää UHECR-arvoja, mutta toistaiseksi havaitut gammasäteilypurskeet ovat olleet kaukana, miljardeja valovuosia. Tämä ei tarkoita, että niitä ei voi tapahtua lähellä, UHECR-raja-etäisyydellä.
Johtava haastaja pitkäikäisille gamma-säteilypurskeille, kuten GRB941017, on supernova / rintamerkkimalli. Supernoovia tapahtuu, kun tähti, joka on useita kertoja massiivisempi kuin aurinko, kuluttaa polttoainettaan, aiheuttaa sen ytimen romahtamisen oman painovoimansa alla, kun taas sen ulkokerrokset puhalletaan valtavassa lämpöydinräjähdyksessä. Rintapiirit ovat erityinen supernovan tyyppi, jossa ydin on niin massiivinen, että se romahtaa mustaan reikään, esineeseen, joka on niin tiheä, että mikään, ei edes valo, ei pääse painovoimansa ulkopuolelle mustan aukon tapahtumahorisontissa. Havaintojen mukaan mustat aukot ovat huolimattomia syöjiä, heittäen materiaalia, joka kulkee heidän tapahtumahorisontinsa lähellä, mutta ei ylitä sitä.
Rintamerkissä tähden ydin muodostaa levyn materiaalista vastamuodostuneen mustan aukon ympärille, kuten viemärin ympärillä pyörivä vesi. Musta reikä kuluttaa suurimman osan levystä, mutta jotkut aineet räjäytetään suuttimissa mustan aukon napoista. Suihkukkeet repivät romahtavan tähden läpi lähellä valon nopeutta ja lävistävät sitten tuomittua tähteä ympäröivän kaasun läpi. Suihkukoneiden törmääessä tähtienväliseen väliaineeseen ne aiheuttavat iskuaaltoja ja hidastuvat. Sisäisiä iskuja muodostuu myös suihkuissa, koska niiden etureunat hidastuvat ja takaa taaksepäin nopean aineen virta. Iskut kiihdyttävät hiukkasia, jotka tuottavat gammasäteitä; ne voisivat myös kiihdyttää hiukkasia UHECR-nopeuteen joukkueen mukaan.
"Se on kuin pingispallon pomppiminen melon ja pöydän välillä", Dingus sanoi. ”Kun siirrät melaa lähemmäksi pöytää, pallo kimpoaa nopeammin. Gammasätepurskeessa meloa ja pöytä ovat suihkussa olevat kuoret. Turbulenssit magneettikentät pakottavat hiukkaset rikoosiitumaan kuorien välillä, kiihdyttäen ne melkein valon nopeuteen ennen kuin ne vapautuvat UHECR-muotoisina. "
Neutriinojen havaitseminen gammasäteilypurskeista johtaisi tapaukseen kosmisen säteen kiihtyvyydestä gammasätepurskeilla. Neutriinot ovat hankalia hiukkasia, jotka tehdään, kun korkeaenergiset protonit törmäävät fotonien kanssa. Neutrinoilla ei ole sähkövarausta, joten osoita silti takaisin lähteensä suuntaan.
Kansallinen tiedesäätiö rakentaa parhaillaan IceCubea (http://icecube.wisc.edu/), kuutiometriä vastaavaa ilmaisinta, joka sijaitsee etelänavan alla olevassa jäässä etsimään neutriinopäästöjä gammasäteilypurskeista. Luonnon suurimman energian hiukkaskiihdyttimien ominaisuudet ovat kuitenkin pysyvä mysteeri, vaikka gammasäteilyä räjähtävien tähtien kiihtyvyys onkin ollut suotuisaa siitä lähtien, kun Mario Vietri (Universita di Roma) ja Eli Waxman (Weizmann-instituutti) ehdottivat sitä. vuonna 1995.
Ryhmä uskoo, että vaikka muut selitykset ovat mahdollisia tälle havainnolle, tulos vastaa UHECR-kiihtyvyyttä gammasäteilypurskeissa. He näkivät sekä vähän energiaa kuluttavat että korkean energian gammasäteet GRB941017-räjähdyksessä. Matalaenergiset gammasäteet ovat sitä, mitä tutkijat odottavat nopeiden elektronien taipuvan voimakkaiden magneettikentien avulla, kun taas korkeaenergisten säteiden odotetaan olevan, jos jotkut purskeessa tuotetusta UHECR: stä törmäävät muihin fotoneihin muodostaen hiukkasten suihkun , joista osa välähtää tuottaen korkean energian gammasäteitä niiden rapistuessa.
Myös gammasäteilyn ajoitus on merkittävä. Matalaenergiset gammasäteet häipyivät suhteellisen nopeasti, kun taas korkeaenergiset gammasäteet viipyivät. Tämä on järkevää, jos kaksi erilaista hiukkasluokkaa - elektronit ja UHECR: n protonit - ovat vastuussa erilaisista gammasäteistä. "Elektronien on paljon helpompaa kuin protonien säteillä energiaa. Siksi matalan energian gammasäteiden emissio elektronista olisi lyhyempi kuin protonien korkean energian gammasäteiden ”, Dingus sanoi.
Compton Gamma Ray Observatory oli toinen NASA: n suurista observatorioista ja gammasäte, joka vastasi Hubble-avaruus teleskooppia ja Chandra -röntgen-observatorioa. Compton käynnistettiin Space Shuttle Atlantis -laivalla huhtikuussa 1991, ja sen paino oli 17 tonnia, ja se oli suurin astrofysiikan hyötykuorma, joka koskaan lensi tuolloin. Uraauurtavan tehtävänsä lopussa Compton lakkautettiin ja palasi takaisin maan ilmakehään 4. kesäkuuta 2000.
Alkuperäinen lähde: NASA: n lehdistötiedote
