Błyski gamma z odległych gwiazd, jak pokazano na ilustracji tego artysty, są jednym z możliwych źródeł ultra-potężnych „cząstek OMG”, które czasami uderzają w detektory naukowców na Ziemi.
(Zdjęcie: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem „Ask a Spaceman” i „Space Radio” i prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Ekspertów Kosmicznych Space.com: Op-Ed i Insights.
W tej chwili, kiedy czytasz ten sam tekst, twoje DNA jest krojone przez małe, niewidzialne kule. Zadające obrażenia są znane jako promienie kosmiczne, chociaż absolutnie nie są promieniami - ale nazwa utknęła z historycznego nieporozumienia. Zamiast tego są to cząstki: głównie elektrony i protony, ale czasami cięższe rzeczy, takie jak hel, a nawet jądra żelaza.
Te kosmiczne cząstki są kłopotliwe, ponieważ a) są szybkie, a więc mają dużo energii kinetycznej do rzucania się wokół nich ib) są naładowane elektrycznie. Oznacza to, że mogą jonizować nasze słabe nukleotydy DNA, rozrywając je na części i czasami prowadząc do niekontrolowanych błędów replikacji (inaczej rak). [„Superstar” Eta Carinae zachowuje się jak gigantyczna broń kosmiczna, ale dlaczego?]
Jakby to nie było wystarczająco złe, co jakiś czas, mniej więcej raz na kilometr kwadratowy rocznie, cząstka krzyczy do naszej górnej atmosfery z naprawdę monstrualną prędkością, uderzając w nieszczęsną cząsteczkę azotu lub tlenu i opadając kaskadowo cząstki wtórne o niższej energii (ale wciąż śmiertelnie niebezpieczne).
Jest tylko jedna odpowiednia reakcja w przypadku cząstki o tak niedorzecznym potencjale: „OMG”.
Fastballs
„OMG” to przydomek nadany pierwszemu przykładowi tak zwanego promieniowania kosmicznego o ultra wysokiej energii, wykrytego w 1991 r. Przez detektor promieniowania kosmicznego Fly's Eye z University of Utah. Ten pojedynczy proton uderzył w naszą atmosferę, poruszając się z prędkością około 99,99999999999999999999951 procent prędkości światła. I nie, wszystkie te dziewiątki mają nie tylko dramatyczny efekt, aby liczba wyglądała imponująco - to naprawdę było tak szybko. Cząstka ta miała taką samą ilość energii kinetycznej jak przyzwoicie rzucony baseball… ściśnięty w obiekt wielkości protonu.
Oznacza to, że ta cząsteczka miała ponad 10 milionów razy więcej energii niż to, co może wytworzyć nasz najsilniejszy zderzacz cząstek, LHC. Z powodu relatywistycznej dylatacji czasu, przy tej prędkości cząstka OMG może podróżować do naszej najbliższej sąsiedniej gwiazdy, Proxima Centauri, w 0,43 milisekundy własnego czasu. Zanim skończysz czytać to zdanie (z jego własnego punktu widzenia), może on przejść do naszego jądra galaktycznego.
OMG, rzeczywiście.
Od czasu wykrycia tej cząstki obserwujemy niebo tych ekstremalnych zdarzeń za pomocą specjalistycznych teleskopów i detektorów na całym świecie. Podsumowując, w ciągu ostatnich dziesięcioleci zarejestrowaliśmy około stu cząstek klasy OMG.
Te kilkadziesiąt przykładów zarówno wyjaśniają, jak i pogłębiają tajemnice ich pochodzenia. Więcej danych jest zawsze dobre, ale co do cholery w naszym wszechświecie jest wystarczająco silne, aby dać protonowi wystarczająco dobry trzask, aby mógł prawie - prawie - rzucić światło na wyścig?
Knuckleballs
Aby przyspieszyć naładowaną cząsteczkę do szalonych prędkości, potrzebujesz dwóch kluczowych składników: dużo energii i pola magnetycznego. Pole magnetyczne przenosi na cząstkę wszelkie energie występujące w twoim przypadku (powiedzmy, wybuchową energię kinetyczną wybuchu supernowej lub wirującego przyciągania grawitacyjnego, gdy materia spada w kierunku czarnej dziury). Szczegółowa fizyka jest oczywiście niezwykle skomplikowana i niezbyt dobrze zrozumiana. Miejsce narodzin promieni kosmicznych jest przerażająco skomplikowane i znajduje się w ekstremalnych regionach naszego wszechświata, więc trudno będzie uzyskać pełny obraz fizyczny.
Ale wciąż możemy zgadywać, skąd biorą się ekstremalne przykłady, takie jak nasz przyjaciel, cząstka OMG. Naszym pierwszym przypuszczeniem mogą być supernowe, gigantyczna śmierć masywnych gwiazd. Pola magnetyczne? Czek. Dużó energii? Czek. Ale nie dość energii, aby załatwić sprawę. Twoja detonacja gwiezdna odmiany ogrodowej po prostu nie ma wystarczającej ilości surowej energii, aby wypluć cząstki z prędkością, którą rozważamy.
Co dalej? Aktywne jądra galaktyczne są silnymi konkurentami. Jądra te powstają, gdy materia wiruje ku swojemu przeznaczeniu wokół supermasywnej czarnej dziury usytuowanej w centrum galaktyki; materiał ten ściska się i nagrzewa, tworząc w końcowych momentach dysk akrecyjny. To skręcenie piekła generuje intensywne pola magnetyczne z działania dynama, tworząc silną mieszankę składników niezbędnych do dodania poważnej mocy wyrzucanym cząsteczkom.
Z wyjątkiem (i wiedziałeś, że będzie „wyjątek”), aktywne jądra galaktyczne są zbyt daleko, aby wytwarzać promienie kosmiczne docierające do Ziemi. Przy absurdalnych prędkościach ultrafioletowego promienia kosmicznego, przelot przez kosmos przypomina bardziej próbę orania przez zamieć. Dzieje się tak, ponieważ przy tych prędkościach kosmiczne tło mikrofalowe - zalew fotonów o niskiej energii pozostawionych z bardzo wczesnego wszechświata - wydaje się mocno przesunięte ku niebieskiemu w kierunku wyższych energii. Tak więc światło o wysokiej intensywności uderza i porusza promieniem kosmicznym, spowalniając go i ostatecznie zatrzymując.
Dlatego nie powinniśmy oczekiwać, że najpotężniejsze promienie kosmiczne będą podróżować dalej niż sto milionów lat świetlnych lub więcej - a większość aktywnych jąder galaktycznych znajduje się o wiele, wiele dalej od nas.
Curveballs
Przez długi czas głównym podejrzanym do generowania OMG był Centaurus A, stosunkowo bliskie aktywne jądro galaktyczne, które znajduje się w odległości od 10 do 16 milionów lat świetlnych stąd. Mocny, magnetyczny i bliski - idealne połączenie. Ale chociaż niektóre badania wskazywały, że promienie kosmiczne mogą pochodzić z jego ogólnego kierunku, nigdy nie było wystarczająco wyraźnej korelacji, aby przenieść galaktykę z podejrzanej na skazaną. [Głębokie spojrzenie na dziwną galaktykę Centaurus A]
Częściowym problemem jest to, że własne pole magnetyczne Drogi Mlecznej subtelnie zmienia trajektorię nadchodzących promieni kosmicznych, ukrywając ich pierwotne kierunki. Tak więc, aby zrekonstruować źródło promienia kosmicznego, potrzebujesz również modeli siły i kierunków pola magnetycznego naszej galaktyki - czegoś, co nie jest w pełni możliwe.
Jeśli generatorem OMG nie jest sam Centaurus A, być może są to galaktyki Seyferta, pewna podklasa galaktyczna ogólnie bliższych, ogólnie słabszych (ale wciąż niesamowicie jasnych i silnych) aktywnych jąder galaktycznych. Ale znowu, nie mając nawet stu próbek, z których można czerpać, trudno jest dokonać rygorystycznego ustalenia statystycznego.
Być może chodzi o rozbłyski promieniowania gamma, które emanują od szczególnego kataklizmicznego końca do najbardziej ekstremalnych gwiazd. Ale nasze rozumienie fizyki tej sytuacji jest (możesz w to uwierzyć?) Dość szkicowe.
Być może jest to coś bardziej egzotycznego, na przykład defekty topologiczne z najwcześniejszych chwil Wielkiego Wybuchu lub jakieś funkowe interakcje w ciemnej materii. Może mylimy się z fizyką i nasze obliczenia dotyczące odległości nie są dokładne. Może, może…
Prawdziwe pochodzenie tych bardzo wysokoenergetycznych cząstek „OMG” jest trudne do ustalenia i pomimo prawie 30-letniej historii wykrywania, nie mamy wielu jednoznacznych odpowiedzi. Co jest w porządku - dobrze jest mieć przynajmniej kilka tajemnic we wszechświecie. Astrofizycy również mogą skorzystać z pewnej ochrony pracy.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka podcastu „Ask A Spaceman”, dostępnego w iTunes i na stronie internetowej http://www.askaspaceman.com. Dzięki hchrissscottt za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Obserwuj nas @Spacedotcom, Facebook i Google+. Artykuł źródłowy na Space.com.
