Kép jóváírása: NASA
A csillagászok úgy vélik, hogy a gamma-sugárzás, az univerzum legerősebb robbanása, ultra nagy energiájú kozmikus sugarakat generálhat, amelyek az univerzum legintenzívebb részecskéi. A NASA által keringtett Compton Gamma-Ray Megfigyelőközpont által összegyűjtött bizonyítékok azt mutatták, hogy egy gammasugár-robbanás egy esetben ezek a nagy energiájú részecskék uralták a területet összekötő területet, ám ez aligha elég bizonyíték arra, hogy azt állítsák, hogy véglegesen össze vannak kapcsolva .
A világegyetem legerősebb robbanásai, a gammasugár-robbanások az univerzum legintenzívebb részecskéit hozhatják létre, ezeket ultrahatású kozmikus sugaraknak (UHECR) nevezik, a NASA Compton Gamma-Ray Megfigyelőközpontjának új megfigyelési elemzése szerint.
A kutatók a Nature augusztus 14-i kiadásában egy újonnan azonosított mintát jelentettek ezen rejtélyes robbantások fényében, amelyet megmagyarázhatnak a haj fényszélességén belül mozgó protonok.
Ezek a protonok, mint például a robbanásból származó szrapnel, UHECR lehetnek. Az ilyen kozmikus sugarak ritkák, és tartós rejtélyt jelentenek az asztrofizikában, látszólag megvetve a fizikai magyarázatokat, mivel egyszerűen túlságosan energikusak ahhoz, hogy jól ismert mechanizmusok, például szupernóva-robbanások által generálhatók legyenek.
„A kozmikus sugarak„ elfelejtik ”, ahonnan származnak, mert a fénytől eltérően az űrben mágneses mezők veszik fel őket” - mondta Maria Magdalena Gonzalez, az új mexikói Los Alamos Nemzeti Laboratórium vezetője és a Wisconsini Egyetem végzős hallgatója. "Ez az eredmény izgalmas lehetőséget kínál arra, hogy láthassuk bizonyítékokat arról, hogy a forrásukban készültek."
A gamma-sugárzás - a tudósok végül felfedezni a rejtélyt - olyan ragyogóan ragyoghat, mint egy milliárd billió nap, és sokan szokatlanul nagy teljesítményű robbanó csillagból származhatnak. A robbantások általánosak, mégis véletlenszerűek és rövidek, csak másodpercekig tartanak.
A kozmikus sugarak olyan atomrészecskék (például elektronok, protonok vagy neutrinók), amelyek közel állnak a fénysebességhez. Az alacsonyabb energiájú kozmikus sugarak folyamatosan bombázzák a Földet, amelyet napsugárzók és tipikus csillagrobbanások hajtanak meg. Az UHECR-ek, amelyek mindegyik atomrészecskével hordozzák a Nagy Ligákban dobott baseball energiáját, százmilliószor energiábbak, mint a legnagyobb emberi eredetű részecskegyorsítókban előállított részecskék.
A tudósok szerint az UHECR-eknek viszonylag közel kell lenniük a Földhöz, mert minden olyan részecske, amely 100 millió fényévnél távolabb utazik, energiájának egy részét elveszíti, amikor eléri hozzánk. Ugyanakkor a szokásos kozmikus sugarak egyetlen helyi forrása sem tűnik elég erősnek az UHECR előállításához.
A Gonzalez által vezetett papír nem kifejezetten az UHECR előállítására összpontosít, hanem egy új, a gamma-sugárzásban látható fénymintára összpontosít. Mélyen a Compton Obszervatórium archívumába (a misszió 2000-ben fejeződött be) a csoport úgy találta, hogy az 1994-től kezdődő GRB941017 elnevezésű gamma-sugárzás eltér a többi, az űrhajó által rögzített 2700-ból álló törésről. Ez a robbant a Sagitta csillagkép, a Nyíl irányába, valószínűleg tíz milliárd fényévnyire van.
Amit a tudósok gamma-sugaraknak neveznek, fotonok (fényrészecskék), amelyek széles energiát fednek le, sőt, egymilliószor szélesebbek, mint azok az energiák, amelyeket szemünknek a szivárvány színeiként regisztrálnak. Gonzalez csoportja a nagyobb energiájú gamma-sugár fotonokat vizsgálta. A tudósok úgy találták, hogy az ilyen típusú fotonok uralták a robbantást: Átlagosan legalább háromszor erősebbek voltak, mint az alacsony energiatartalmú komponensek, mégis meglepő módon, mintegy 100 másodperc után több ezerszer erősebbek.
Vagyis miközben a műholdas detektorokba ütköző alacsonyabb energiatartalmú fotonok áramlása enyhült, a magasabb energiatartalmú fotonok áramlása állandó maradt. A megállapítás ellentmond a népszerû „szinkrotron sokkmodellnek”, amely a legtöbb kitörést leírja. Tehát mi magyarázhatja a magasabb energiájú fotonok ilyen gazdagodását?
"Az egyik magyarázat az, hogy az ultra nagy energiájú kozmikus sugarak felelősek, de ehhez pontosan hogyan kell létrehozni a gamma sugarat az általunk látott energiamintákkal" - mondta Dr. Brenda Dingus, LANL, a cikk társszerzője. "Néhány teoretistát elfoglalva fogunk próbálni kitalálni."
Az ultra nagy energiájú elektronok késleltetett befecskendezése további lehetőséget ad a GRB 941017-ben megfigyelt váratlanul nagy energiájú gammasugár-áramlás magyarázatára. Ennek a magyarázatnak azonban szükségessé kellene tenni a szokásos sorozatmodell felülvizsgálatát - mondta Dr. Charles Dermer, a társszerző egy elméleti asztrofizikus az amerikai haditengerészeti kutató laboratóriumban Washingtonban. "Mindkét esetben ez az eredmény egy új eljárást tár fel, amely a gamma-sugárzásban bekövetkezik" - mondta.
A Földtől 100 millió fényévtől származó gamma-sugárzásokat nem észleltek, ám az elektronokon keresztül az ilyen típusú robbanások lokálisan előfordulhatnak. Ha igen, mondta Dingus, a csoportja által a GRB 941017-ben látott mechanizmust otthon közelében lehetett volna lemásolni, elég közel ahhoz, hogy biztosítsák a ma látható UHECR-eket.
Lehetséges, hogy a Compton Observatory archívumában szereplő egyéb törések hasonló mintát mutattak, de az adatok nem meggyőzőek. A NASA Gamma-ray nagyméretű űrteleszkópjának (GLAST), amelyet 2006-ban indítanak, elég detektorok lesznek, amelyek elég nagy energiájú gamma-sugár fotonok feloldására és ennek a rejtélynek a megoldására szolgálnak.
A Nature jelentés társszerzői között szerepel Ph.D. végzős hallgató Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece és Dr. Michael Briggs az alabamai egyetemen Huntsville-ben. Ezt a kutatást a NASA és a Tengerészeti Kutatási Hivatal támogatta.
Az UHECR-értékeket akkor lehet megfigyelni, amikor a légkörünkbe zuhannak, amint az az ábrán látható. Az ütközésből származó energia milliárd szubatomi részecske és ultraibolya fény villog, amelyet speciális műszerek érzékelnek.
A Nemzeti Tudományos Alapítvány és a nemzetközi együttműködők szponzoráltak olyan eszközöket a helyszínen, mint például a nagy felbontású légyszem Utahban (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) és az argentin Auger-megfigyelőközpont (http: / /www.auger.org/). Ezenkívül a NASA együttműködik az Európai Űrügynökséggel az Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) elhelyezésére a Nemzetközi Űrállomásra. A javasolt OWL-misszió az orbitális pályáról lefelé nézne a levegőzuhanyok felé, és olyan nagy régiót tekintsen, mint Texas.
Ezek a tudósok rögzítik a villanásokat, és felszámolják a szubatómiai shrapnel-t, hátrafelé dolgoznak annak kiszámításához, hogy egy részecske mennyi energiát igényel a légköri kaszkádhoz. Legalább 10 ^ 20 elektronvoltam (eV) sokkoló értékre érkeznek. (Összehasonlításképpen: a sárga fény egy részecskéjében az energia 2 eV, a televíziós csőben lévő elektronok ezer elektron volt volti energiatartományban vannak.)
Ezek az ultra nagy energiájú részecskék az Einstein speciális relativitáselmélet-elméletében megjósolt furcsa hatásokat élvezik. Ha megfigyelhetnénk őket a kozmosz távoli sarkából, mondjuk száz millió fényévnyire, akkor türelmesnek kell lennünk - száz millió évbe telik az utazás befejezése. Ha azonban el tudnánk utazni a részecskékkel, akkor az utazás kevesebb mint egy nap alatt véget ér a gyorsan mozgó tárgyak megfigyelő által mért időeltolódása miatt.
A legmagasabb energiájú kozmikus sugarak még akkor sem érhetnek el minket, ha távoli forrásokból állítják elő őket, mert ütköznek és energiát veszítenek a nagy robbantól megmaradt kozmikus mikrohullámú fotonokkal. E kozmikus sugarak forrásait viszonylag közel kell találni hozzánk, több száz millió fényév távolságban. A csillagok, amelyek gamma-sugaras robbanásként felrobbannak, ezen a távolságon belül találhatók, ezért intenzív megfigyelési erőfeszítések vannak folyamatban a gamma-sugaras robbanás maradványainak megtalálására, amelyeket megkülönböztetnek a kozmikus sugarak által keltett sugárzási haloszlók.
Néhány égi tárgynak vannak a szélsőséges körülményei, amelyek szükségesek a részecskék UHECR sebességre történő robbantásához. Ha a gammasugár-robbanások UHECR-eredményeket eredményeznek, akkor valószínűleg úgy tesznek, hogy felgyorsítják a robbanásból kibocsátott anyag fúvókáján lévő részecskéket a fénysebesség közelében. A gammasugár-törések képesek felgyorsítani az UHECR-eredményeket, ám az eddig megfigyelt gamma-sugár-törések távoli, milliárd fényévnyire vannak. Ez nem jelenti azt, hogy nem történhetnek meg a közelben, az UHECR küszöbön belül.
A szupernóva / kolaszzár modell a hosszú élettartamú gamma-sugarakódások, mint például a GRB941017 egyik vezető versenyzője. A szupernóvák akkor fordulnak elő, amikor egy csillag, amely többször hatalmasabb, mint a Nap, kimeríti az üzemanyagot, a magja saját gravitációja alatt összeomlik, miközben a külső rétegeit hatalmas hőmag-robbanás okozta. Az összecsukható szerszámok a szupernóva speciális típusa, ahol a mag oly masszív, hogy egy fekete lyukba zuhan, olyan sűrű tárgyként, hogy semmi, még a fény sem sem tud menekülni gravitációjából a fekete lyuk eseményhorizontján belül. A megfigyelések azonban azt mutatják, hogy a fekete lyukak hanyag evők, és olyan anyagokat bocsátanak ki, amelyek az eseményhorizontjukon áthaladnak, de nem haladnak át.
Egy összecsukható sztárban a csillag magja egy anyaglemezt képez az újonnan kialakult fekete lyuk körül, mint például a csatorna körül kavargó víz. A fekete lyuk a legtöbb lemezt elfogyasztja, de az anyagot a fekete lyuk pólusaiból fúvókák robbantják fel. A fúvókák a fénysebesség mellett átszakadnak az összeomló csillagon, majd áthatolnak az elítélt csillagot körülvevő gázon. Amint a fúvókák a csillagközi közegbe zuhannak, sokkhullámokat generálnak és lelassulnak. A fúvókákban belső rázkódások is kialakulnak, mivel azok éle lelassul, és hátulról nagy sebességű anyag áramlik. Az ütések felgyorsítják a gamma-sugarakat generáló részecskéket; a csoport szerint az UHECR sebességre is felgyorsíthatják a részecskéket.
"Olyan, mint egy ping-pong labdát ugrálni egy evez és egy asztal között" - mondta Dingus. Ahogy a lapátot közelebb mozgatjuk az asztalhoz, a labda gyorsabban és leggyorsabban visszapattan. Gamma-sugaras robbanás közben a lapát és az asztal héja a sugárhajtóműben kerül ki. A turbulens mágneses mezők arra kényszerítik a részecskéket, hogy rikoxetba kerüljenek a héjak között, felgyorsítva őket majdnem a fénysebességig, mielőtt UHECR-ekké válnak.
A neutrínók kimutatása gamma-sugarakódásokkal lehetővé tenné a kozmikus sugárgyorsítás gamma-sugarakódásokkal történő felgyorsítását. A neutrinok olyan megnehezíthetetlen részecskék, amelyek akkor készülnek, amikor a nagy energiájú protonok fotonokkal ütköznek. A neutrinek nincsenek elektromos töltésűek, így mutassanak még mindig forrásuk irányába.
A Nemzeti Tudományos Alapítvány jelenleg építi az IceCube-ot (http://icecube.wisc.edu/), egy köbkilométer-érzékelőt a déli pólus alatti jégben, hogy a gamma-sugárzásból származó neutrino-kibocsátást keresse. A természet legnagyobb energiájú részecskegyorsítóinak jellemzői azonban továbbra is rejtélyek maradnak, bár a gamma-sugárzást kiváltó robbantó csillagok gyorsítása már azóta is kedvező volt, mivel Mario Vietri (Universita di Roma) és Eli Waxman (Weizmann Intézet) javaslatot tett erre. 1995-ben.
A csoport úgy véli, hogy bár ennek a megfigyelésnek más magyarázata is lehetséges, az eredmény összhangban van az UHECR gyorsulással a gamma-sugárzásban. Mind az alacsony energiájú, mind a nagy energiájú gammasugarakat láttak a GRB941017 robbanás során. Az alacsony energiatartalmú gammasugarakat a tudósok várják el a nagysebességű elektronok intenzív mágneses terek általi eltérítéséből, míg a nagy energiájú sugárzás várható abban az esetben, ha a robbanás során keletkezett UHECR egyes fotonok összeomlik más fotonokkal, és így részecskék zuhanyává válnak. , amelyek közül egyesek villognak, hogy nagy energiájú gammasugarakat bocsátanak ki, amikor ezek lebomlanak.
A gamma-sugárzás időzítése szintén jelentős. Az alacsony energiatartalmú gammasugarak viszonylag gyorsan elhalványultak, míg a nagy energiájú gammasugarak elhalványultak. Ennek akkor van értelme, ha a részecskék két különböző osztálya - az elektronok és az UHECR protonjai - felelős a különböző gamma-sugarakért. „Az elektronoknak sokkal könnyebb sugárzni energiájukat, mint a protonoknak. Ezért az alacsony energiájú gammasugarak kibocsátása az elektronokból rövidebb lenne, mint a protonok nagy energiájú gammasugarainak ”- mondta Dingus.
A Compton Gamma Ray Obszervatórium volt a második a NASA Nagy Megfigyelőközpontjaiból, és a gamma-sugár megegyezett a Hubble Űrtávcsővel és a Chandra X-ray Observatoryval. A Comptonot az űrrepülőgép fedélzetén, 1991 áprilisában indították, és 17 tonnás súlya volt a legnagyobb asztrofizikai hasznos teher, amely akkoriban valaha is repült. Úttörő missziója végén a Compton-ot elhagyták és 2000. június 4-én visszatért a Föld légkörébe.
Eredeti forrás: NASA sajtóközlemény
