Źródło zdjęcia: NASA
Astronomowie uważają, że rozbłyski gamma, najpotężniejsze eksplozje we Wszechświecie, mogą generować ultrawysokiej energii promienie kosmiczne, najbardziej energetyczne cząstki we Wszechświecie. Dowody zebrane przez nieokreślone obserwatorium Compton Gamma-Ray Observatory wykazały, że w jednym przypadku wybuchu promieniowania gamma te wysokoenergetyczne cząstki zdominowały obszar dając połączenie między nimi, ale nie jest to wystarczający dowód, by stwierdzić, że są one ostatecznie powiązane .
Najsilniejsze eksplozje we wszechświecie, rozbłyski gamma, mogą generować najbardziej energetyczne cząstki we wszechświecie, znane jako ultrahigh-energy promieni kosmicznych (UHECR), zgodnie z nową analizą obserwacji z NASA Compton Gamma-Ray Observatory.
Naukowcy informują w wydaniu Nature z 14 sierpnia o nowo zidentyfikowanym wzorze w świetle tych enigmatycznych wybuchów, które można wytłumaczyć protonami poruszającymi się w promieniu prędkości światła.
Te protony, podobnie jak odłamki z eksplozji, mogą być UHECR. Takie promienie kosmiczne są rzadkie i stanowią trwałą tajemnicę w astrofizyce, pozornie sprzeczną z fizycznym wyjaśnieniem, ponieważ są po prostu zbyt energiczne, aby mogły zostać wygenerowane przez dobrze znane mechanizmy, takie jak wybuchy supernowych.
„Promienie kosmiczne„ zapominają ”, skąd pochodzą, ponieważ w przeciwieństwie do światła są one biczowane w kosmosie przez pola magnetyczne”, powiedziała główna autorka Magdalena Magdalena Gonzalez z Narodowego Laboratorium Los Alamos w Nowym Meksyku i absolwentka Uniwersytetu Wisconsin. „Ten wynik jest ekscytującą szansą, aby zobaczyć dowody na to, że zostały wyprodukowane u źródła.”
Błyski gamma - tajemniczy naukowiec w końcu zaczynają się rozwiązywać - mogą świecić tak genialnie jak milion bilionów słońc, a wiele z nich może pochodzić z niezwykle silnego typu wybuchającej gwiazdy. Wybuchy są powszechne, ale losowe i ulotne, trwające zaledwie kilka sekund.
Promienie kosmiczne to cząstki atomowe (na przykład elektrony, protony lub neutrina) poruszające się blisko prędkości światła. Promienie kosmiczne o niższej energii nieustannie bombardują Ziemię, napędzane rozbłyskami słonecznymi i typowymi wybuchami gwiazd. UHECR, przy czym każda cząstka atomowa niosąca energię baseballu rzucona w Major League, jest sto milionów razy bardziej energiczna niż cząstki wytwarzane przez największe ludzkie akceleratory cząstek.
Naukowcy twierdzą, że UHECR muszą być generowane stosunkowo blisko Ziemi, ponieważ każda cząstka podróżująca dalej niż 100 milionów lat świetlnych straci część swojej energii, zanim do nas dotrze. Jednak żadne lokalne źródło zwykłych promieni kosmicznych nie wydaje się wystarczająco silne, aby wygenerować UHECR.
Artykuł prowadzony przez Gonzalez koncentruje się nie tylko na produkcji UHECR, ale raczej na nowym wzorze światła widzianego w rozbłysku gamma. Zagłębiając się głęboko w archiwa Obserwatorium Compton (misja zakończyła się w 2000 r.), Grupa odkryła, że rozbłysk gamma z 1994 r., Nazwany GRB941017, wydaje się różny od pozostałych 2700 wybuchów zarejestrowanych przez ten statek kosmiczny. Wybuch ten został zlokalizowany w kierunku gwiazdozbioru Sagitta, Strzała, prawdopodobnie oddalonego o dziesięć miliardów lat świetlnych.
To, co naukowcy nazywają promieniami gamma, to fotony (cząstki światła) pokrywające szeroki zakres energii, w rzeczywistości ponad milion razy szerszych niż energie, które nasze oczy rejestrują jako kolory w tęczy. Grupa Gonzaleza przyglądała się fotonom promieniowania gamma o wyższej energii. Naukowcy odkryli, że tego rodzaju fotony zdominowały wybuch: były średnio co najmniej trzy razy silniejsze niż komponent o niższej energii, ale, co zaskakujące, tysiące razy silniejsze po około 100 sekundach.
Oznacza to, że podczas gdy przepływ fotonów o niższej energii trafiających do detektorów satelity zaczął się zmniejszać, przepływ fotonów o wyższej energii pozostał stały. Odkrycie to jest niespójne z popularnym „modelem wstrząsów synchrotronowych” opisującym większość wybuchów. Co więc może wyjaśnić to wzbogacenie fotonów o wyższej energii?
„Jednym z wyjaśnień jest to, że promienie kosmiczne o ultrawysokiej energii są odpowiedzialne, ale dokładnie to, jak wytwarzają promienie gamma z wzorcami energii, które widzieliśmy, wymaga wielu obliczeń”, powiedziała dr Brenda Dingus z LANL, współautorka artykułu. „Będziemy zajmować niektórych teoretyków, próbując to rozgryźć”.
Opóźniony zastrzyk elektronów o ultra wysokiej energii zapewnia inny sposób wyjaśnienia nieoczekiwanie dużego przepływu wysokoenergetycznego promieniowania gamma obserwowanego w GRB 941017. Jednak to wyjaśnienie wymagałoby rewizji standardowego modelu serii, powiedział współautor dr Charles Dermer, astrofizyk teoretyczny w US Naval Research Laboratory w Waszyngtonie. „W obu przypadkach wynik ten ujawnia nowy proces zachodzący w rozbłyskach gamma” - powiedział.
Wybuchy promieniowania gamma nie zostały wykryte w odległości 100 milionów lat świetlnych od Ziemi, ale przez eony tego rodzaju wybuchy mogły mieć miejsce lokalnie. Jeśli tak, powiedziała Dingus, mechanizm, który jej grupa widziała w GRB 941017, mógł zostać zduplikowany w pobliżu domu, wystarczająco blisko, aby dostarczyć UHECR, które widzimy dzisiaj.
Inne wybuchy w archiwum Obserwatorium Compton mogły wykazywać podobny wzór, ale dane nie są rozstrzygające. Kosmiczny Teleskop Kosmiczny Wielkiego Obszaru NASA (GLAST), zaplanowany na start w 2006 r., Będzie miał detektory wystarczająco mocne, aby rozwiązać fotony promieniowania gamma o wyższej energii i rozwiązać tę tajemnicę.
Współautorami raportu Nature są również dr. absolwent Yuki Kaneko, dr Robert Preece i dr Michael Briggs z University of Alabama w Huntsville. Badania zostały sfinansowane przez NASA i Office of Naval Research.
UHECR obserwuje się, gdy zderzają się z naszą atmosferą, jak pokazano na rysunku. Energia z kolizji wytwarza deszcz powietrza o wartości miliardów cząstek subatomowych i rozbłyski światła ultrafioletowego, które są wykrywane przez specjalne instrumenty.
National Science Foundation i międzynarodowi współpracownicy sponsorowali instrumenty w terenie, takie jak High Resolution Fly's Eye w Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) i Auger Observatory w Argentynie (http: / /www.auger.org/). Ponadto NASA współpracuje z Europejską Agencją Kosmiczną nad umieszczeniem Obserwatorium Kosmicznego Extreme Universe (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Proponowana misja OWL, z orbity, spoglądałaby w dół w kierunku natrysków powietrznych, obserwując region tak duży jak Teksas.
Ci naukowcy rejestrują błyski i przeprowadzają spis subiektywnych odłamków, pracując wstecz, aby obliczyć, ile energii potrzebuje pojedyncza cząstka, aby stworzyć kaskadę atmosferyczną. Osiągają szokującą liczbę 10 ^ 20 woltów elektronów (eV) lub więcej. (Dla porównania energia w cząsteczce żółtego światła wynosi 2 eV, a elektrony w lampie telewizyjnej znajdują się w zakresie energii tysiąca elektronowoltów).
Te ultra-wysokoenergetyczne cząstki doświadczają dziwnych efektów przewidywanych przez teorię szczególnej teorii względności Einsteina. Gdybyśmy mogli obserwować, jak nadchodzą z odległego zakątka kosmosu, powiedzmy sto milionów lat świetlnych stąd, musielibyśmy być cierpliwi - ukończenie podróży zajmie sto milionów lat. Jeśli jednak moglibyśmy podróżować z cząsteczkami, podróż dobiegła końca w niecały dzień ze względu na dylatację czasu szybko poruszających się obiektów, mierzoną przez obserwatora.
Promienie kosmiczne o największej energii nie mogą nawet do nas dotrzeć, jeśli są wytwarzane z odległych źródeł, ponieważ zderzają się i tracą energię z kosmicznymi fotonami mikrofalowymi pozostałymi po Wielkim Wybuchu. Źródła tych promieni kosmicznych należy znaleźć stosunkowo blisko nas, w odległości kilkuset milionów lat świetlnych. Gwiazdy, które eksplodują jako rozbłyski gamma, znajdują się w tej odległości, dlatego trwają intensywne obserwacje w celu znalezienia pozostałości rozbłysku gamma wyróżniających się aureolami promieniowania wytwarzanymi przez promienie kosmiczne.
Niewiele rodzajów ciał niebieskich posiada ekstremalne warunki wymagane do wysadzenia cząstek do prędkości UHECR. Jeśli rozbłyski gamma wytwarzają UHECR, prawdopodobnie robią to poprzez przyspieszenie cząstek w strumieniach materii wyrzuconych z wybuchu przy prędkości zbliżonej do prędkości światła. Impulsy gamma mają moc przyspieszania UHECR, ale obserwowane do tej pory impulsy gamma były odległe o miliardy lat świetlnych. To nie znaczy, że nie mogą się zdarzyć w pobliżu, w odległości odcięcia UHECR.
Wiodącym pretendentem do długotrwałych rodzajów rozbłysków gamma, takich jak GRB941017, jest model supernowej / collapsar. Supernowe zdarzają się, gdy gwiazda wielokrotnie masywniejsza niż Słońce zużywa paliwo, powodując zapadnięcie się jądra pod wpływem własnej grawitacji, podczas gdy jego zewnętrzne warstwy zostają zerwane w wyniku ogromnej eksplozji termojądrowej. Collapsars to specjalny rodzaj supernowych, w których rdzeń jest tak masywny, że zapada się w czarną dziurę, obiekt tak gęsty, że nic, nawet światło, nie może uciec grawitacji w horyzoncie zdarzeń czarnej dziury. Jednak obserwacje wskazują, że czarne dziury są niechlujnymi zjadaczami, wyrzucającymi materiał, który przechodzi w pobliżu, ale nie przekracza ich horyzontów zdarzeń.
W kulce ziemskiej jądro gwiazdy tworzy dysk z materiału wokół nowo utworzonej czarnej dziury, jak woda wirująca wokół drenu. Czarna dziura zużywa większość dysku, ale pewna materia jest wydmuchiwana strumieniami z biegunów czarnej dziury. Dżety przebijają się przez zapadającą się gwiazdę z prędkością bliską prędkości światła, a następnie przebijają się przez gaz otaczający skazaną na śmierć gwiazdę. Gdy strumienie uderzają w ośrodek międzygwiezdny, wytwarzają fale uderzeniowe i zwalniają. Wstrząsy wewnętrzne również powstają w dżetach, gdy ich przednie krawędzie zwalniają i są uderzane od tyłu przez strumień szybkiej materii. Wstrząsy przyspieszają cząstki wytwarzające promienie gamma; zdaniem zespołu mogą również przyspieszyć cząstki do prędkości UHECR.
„To jak odbijanie piłki do ping ponga między wiosłem a stołem” - powiedział Dingus. „Gdy przesuwasz wiosło bliżej stołu, piłka odbija się coraz szybciej. W rozbłysku gamma łopatka i stół są pociskami wyrzucanymi w strumieniu. Burzliwe pola magnetyczne zmuszają cząstki do rykoszetowania między skorupami, przyspieszając je do prawie prędkości światła, zanim uwolnią się jako UHECR. ”
Wykrywanie neutrin z rozbłysków gamma rozstrzygnęłoby sprawę przyspieszenia promieniowania kosmicznego przez rozbłyski gamma. Neutrina to nieuchwytne cząstki powstające, gdy wysokoenergetyczne protony zderzają się z fotonami. Neutrina nie mają ładunku elektrycznego, więc nadal wskaż kierunek ich źródła.
National Science Foundation buduje obecnie IceCube (http://icecube.wisc.edu/), detektor kilometrów sześciennych znajdujący się w lodzie pod biegunem południowym, w celu poszukiwania emisji neutrin z rozbłysków gamma. Jednak właściwości akceleratorów cząstek o największej energii w naturze pozostają niezmienną tajemnicą, chociaż przyspieszenie przez eksplodujące gwiazdy, które wytwarzają rozbłyski gamma, jest korzystne, odkąd Mario Vietri (Universita di Roma) i Eli Waxman (Weizmann Institute) zaproponowali to w 1995.
Zespół uważa, że chociaż możliwe są inne wyjaśnienia dla tej obserwacji, wynik jest zgodny z przyspieszeniem UHECR w rozbłyskach gamma. Widzieli niskoenergetyczne i wysokoenergetyczne promienie gamma podczas wybuchu GRB941017. Niskoenergetyczne promienie gamma są tym, czego naukowcy oczekują od szybkich elektronów odchylanych przez intensywne pola magnetyczne, podczas gdy promienie wysokoenergetyczne są tym, czego można się spodziewać, jeśli niektóre UHECR wytworzone podczas wybuchu rozbijają się na inne fotony, tworząc deszcz cząstek , niektóre z nich rozbłyskują, wytwarzając wysokoenergetyczne promienie gamma podczas rozpadu.
Istotny jest również czas emisji promieniowania gamma. Niskoenergetyczne promienie gamma zanikły stosunkowo szybko, podczas gdy wysokoenergetyczne promienie gamma pozostały. Ma to sens, jeśli dwie różne klasy cząstek - elektrony i protony UHECR - są odpowiedzialne za różne promienie gamma. „Elektronom łatwiej jest emitować energię niż protony. Dlatego emisja niskoenergetycznych promieni gamma z elektronów byłaby krótsza niż wysokoenergetycznych promieni gamma z protonów - powiedział Dingus.
Compton Gamma Ray Observatory było drugim z wielkich obserwatoriów NASA i promieniem gamma równoważnym do teleskopu kosmicznego Hubble'a i obserwatorium rentgenowskiego Chandra. Compton został wypuszczony na pokład promu kosmicznego Atlantis w kwietniu 1991 r., A jego waga wynosiła 17 ton, co stanowi największą ładunek astrofizyczny, jaki kiedykolwiek był w tym czasie. Pod koniec swojej pionierskiej misji Compton został deorbowany i ponownie wszedł w atmosferę Ziemi 4 czerwca 2000 roku.
Oryginalne źródło: NASA News Release
