Ένα εξαιρετικά βαρύ σωματίδιο θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση ενός από τα πιο αινιγματικά μυστήρια της σύγχρονης αστροφυσικής: την πηγή των πιο ισχυρών σωματιδίων που έχουν εντοπιστεί ποτέ.
Οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι σωματίδια από το διάστημα που χτυπούν τη Γη με ενέργεια πέρα από οτιδήποτε παράγεται από ανθρωπογενείς επιταχυντές σωματιδίων. Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα παραδείγματα είναι το «σωματίδιο Amaterasu», που ανιχνεύθηκε από μια διάταξη τηλεσκοπίων στη Γιούτα το 2021 και πήρε το όνομά της από τη θεά του ήλιου στην ιαπωνική μυθολογία. Η αναφερόμενη ισχύς του το τοποθετεί στην ίδια σπάνια κατηγορία με το «Ω-Θεέ μου Σωματίδιο» που καταγράφηκε το 1991, τοποθετώντας το μεταξύ των πιο ισχυρών γεγονότων κοσμικής ακτίνας που έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη από πού προήλθε, ούτε καν τι ακριβώς ήταν
Υπερβαριές κοσμικές ακτίνες
Δημοσιεύτηκε νέα έρευνα με επικεφαλής επιστήμονες του Penn State Επιστολή φυσικής αναθεώρησης Υποδηλώνει ότι μερικές από τις κοσμικές ακτίνες με την υψηλότερη ενέργεια μπορούν να οδηγήσουν σε ατομικούς πυρήνες βαρύτερους από τον σίδηρο. Ο ατομικός πυρήνας είναι το συμπαγές κέντρο του ατόμου, που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Διατηρούν σχεδόν όλη τη μάζα ενός ατόμου και καταλαμβάνουν μόνο ένα μικροσκοπικό κλάσμα του συνολικού όγκου του.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ομάδας, αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες μπορεί να χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους ελαφρούς πυρήνες όταν διασχίζουν τον διαγαλαξιακό χώρο. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να επιβιώσουν από το ταξίδι στη Γη ενώ εξακολουθούν να μεταφέρουν ακραίες ποσότητες ενέργειας. Η εργασία, που διεξήχθη με συνεργάτες του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Yukawa της Ιαπωνίας, της Virginia Tech και άλλων ιδρυμάτων, θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν τους τύπους κοσμικών αντικειμένων που είναι αρκετά ισχυροί για να εκτοξεύουν τέτοια σωματίδια.
“Οι κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας μπορούν να επιταχυνθούν μόνο από μερικές από τις πιο ισχυρές πηγές στο σύμπαν”, δήλωσε ο Kohta Murase, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας και αστροφυσικής στο Penn State Eberly College of Science και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. «Όταν ανιχνεύουμε μεμονωμένα σωματίδια κοσμικής ακτίνας όπως το σωματίδιο Amaterasu εδώ στη Γη, μπορούμε συχνά να χρησιμοποιήσουμε την ενέργεια, την κατεύθυνση άφιξης και τις αναμενόμενες μαγνητικές αποκλίσεις για να συμπεράνουμε την πιθανή κοσμική προέλευσή τους».
Μυστήριο σωματιδίων Amaterasu
Το σωματίδιο Amaterasu είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ερμηνευτεί επειδή η εκτιμώμενη κατεύθυνση άφιξής του οδηγεί πίσω σε ένα κοσμικό κενό, μια περιοχή του διαστήματος χωρίς εμφανή πηγή ικανή να παράγει κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
«Η διαδικασία προέλευσης και επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στον τομέα για περισσότερα από 60 χρόνια, από τότε που αναφέρθηκε το πρώτο παράδειγμα», είπε ο Murasse.
Αυτά τα σπάνια σωματίδια μπορεί να υπερβούν τα 100 X-ηλεκτρον βολτ ή τα 100 κουϊντσεμ. ηλεκτρον βολτ. Αυτό τα καθιστά περίπου επτά τάξεις μεγέθους, ή 10 εκατομμύρια φορές πιο ισχυρά από τα σωματίδια που επιταχύνονται μέσα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τον μεγαλύτερο και ισχυρότερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Το σωματίδιο Amaterasu αναφέρθηκε στα 240 βολτ ηλεκτρονίων x περίπου, δίνοντας σε ένα μικροσκοπικό σωματίδιο κοσμικής ακτίνας περίπου την κινητική ενέργεια μιας ταχέως κινούμενης μπάλας του τένις. Αυτό την καθιστά μια από τις πιο ισχυρές κοσμικές ακτίνες που έχουν εντοπιστεί ποτέ.
«Αυτές οι υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες πιστεύεται ότι προέρχονται από ακραίες αστροφυσικές πηγές, όπως η σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων ή η κατάρρευση ενός τεράστιου άστρου», είπε ο Murasse. «Για πολλά συμβάντα κοσμικών ακτίνων μαζί, η κατανομή της ενέργειας, το μοτίβο κατεύθυνσης άφιξης και η στατιστικά συναγόμενη σύνθεση παρέχουν σημαντικές ενδείξεις για το από πού προέρχονται αυτά τα σωματίδια και πώς επιταχύνονται».
Προσομοίωση ακραίων σωματιδίων
Για να διερευνήσουν τι είδους σωματίδια θα μπορούσαν ακόμα να φτάσουν στη Γη με τέτοιες εξαιρετικές ενέργειες, οι ερευνητές έκαναν λεπτομερείς προσομοιώσεις σε υπολογιστή. Διαμόρφωσαν το πώς τα σωματίδια διαφορετικών μεγεθών θα αποκτούσαν ή θα έχαναν ενέργεια καθώς ταξίδευαν στον διαγαλαξιακό χώρο.
«Η μελέτη μας δείχνει ότι σε ενέργειες συγκρίσιμες με τα σωματίδια amaterasu, οι υπερβαρείς πυρήνες χάνουν ενέργεια πιο αργά από τα πρωτόνια ή τους πυρήνες μέσης μάζας, επιτρέποντάς τους να επιβιώσουν σε κοσμικές αποστάσεις και να φτάσουν στη Γη σε ακραίες ενέργειες», είπε ο Murasse. “Δεν λέμε ότι όλες οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας είναι υπερβαρείς πυρήνες. Αλλά εάν μερικά από τα γεγονότα με την υψηλότερη ενέργεια είναι υπερβαρείς πυρήνες, αυτό θα επηρεάσει τον τρόπο αναζήτησης των πηγών τους.”
Οι υπολογισμοί της ομάδας θέτουν νέα όρια για το πόσο μπορούν να συνεισφέρουν αυτοί οι υπερβαρείς πυρήνες στον πλήρη πληθυσμό των παρατηρούμενων κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
Violent Cosmic Origins
«Οι πιο ελπιδοφόρες τοποθεσίες για τη δημιουργία και την επιτάχυνση τέτοιων εξαιρετικά βαρέων πυρήνων είναι οι θάνατοι τεράστιων άστρων που περιλαμβάνουν εκρηκτική κατάρρευση σε μαύρες τρύπες ή ισχυρά μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων, καθώς και δυαδικές συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων γνωστές ως εκπομπές ισχυρών βαρυτικών κυμάτων», είπε ο Murasse. “Αυτά τα βίαια κοσμικά γεγονότα μπορούν επίσης να τροφοδοτήσουν εκρήξεις ακτίνων γάμμα, οι οποίες είναι από τις πιο ισχυρές εκρήξεις στο σύμπαν. Μια συμβολή από αυτές τις πηγές θα μπορούσε επίσης να εξηγήσει πιθανές διαφορές μεταξύ του βόρειου και νότιου ουρανού στο φάσμα υπερυψηλής ενέργειας κοσμικής ακτίνας. σίδερο.”
Οι μελλοντικές παρατηρήσεις μπορεί να είναι σε θέση να δοκιμάσουν αυτές τις ιδέες. Ο Μουράσε είπε ότι οι εγκαταστάσεις επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένου του προτεινόμενου AugerPrime στην Αργεντινή και του προτεινόμενου Παρατηρητηρίου Παγκόσμιας Κοσμικής Ακτίνας, θα μπορούσαν να αναζητήσουν τις προβλεπόμενες υπογραφές. Πρόσθετη θεωρητική εργασία για κοσμικές εκρήξεις που περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες και ισχυρά μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων μπορεί επίσης να βοηθήσει στην αποκάλυψη από πού προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
Μαζί με τον Muras, η ερευνητική ομάδα B. Theodore Zhang, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Yukawa του Πανεπιστημίου του Κιότο και πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Penn State την εποχή της μελέτης. Mukul Bhattacharya, μεταδιδακτορικός συνεργάτης Eberly στο Penn State κατά τη διάρκεια της έρευνας. και οι Nick Ekanger και Shunsaku Horiuchi, οι οποίοι ήταν στο Virginia Tech κατά τη διάρκεια της έρευνας.
