Niebo radiowe niskiej częstotliwości w momencie uderzenia promienia kosmicznego. Źródło zdjęcia: MPIFR. Kliknij, aby powiększyć.
Korzystając z eksperymentu LOPES, prototyp nowego zaawansowanego technologicznie radioteleskopu LOFAR do wykrywania ultra wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego, grupa astrofizyków, we współpracy z Max-Planck-Gesellschaft i Helmholtz-Gemeinschaft, zarejestrowała najjaśniejszy i najszybszy wybuchy radiowe, jakie kiedykolwiek widziałem na niebie. Wybuchy, których wykrycie opisano w tym tygodniu w czasopiśmie Nature, są dramatycznymi błyskami światła radiowego, które wydają się ponad 1000 razy jaśniejsze od Słońca i prawie milion razy szybsze niż normalne błyskawice. Przez bardzo krótki czas te błyski - które dotychczas były w dużej mierze niezauważone - stają się najjaśniejszym światłem na niebie o średnicy dwukrotnie większej od księżyca.
Eksperyment wykazał, że błyski radiowe są wytwarzane w atmosferze ziemskiej, spowodowane przez uderzenie najbardziej energetycznych cząstek wytwarzanych w kosmosie. Cząstki te nazywane są promieniami kosmicznymi o ultra wysokiej energii, a ich pochodzenie stanowi ciągłą zagadkę. Astrofizycy mają teraz nadzieję, że ich odkrycie rzuci nowe światło na tajemnicę tych cząstek.
Naukowcy zastosowali szereg anten radiowych i dużą liczbę detektorów cząstek w eksperymencie KASCADE-Grande w Forschungszentrum Karlsruhe. Wykazali, że ilekroć bardzo energetyczna cząstka kosmiczna uderza w atmosferę Ziemi, odpowiedni impuls radiowy jest rejestrowany z kierunku nadchodzącej cząstki. Korzystając z technik obrazowania z radioastronomii, grupa wyprodukowała nawet cyfrowe sekwencje filmowe tych wydarzeń, tworząc najszybsze filmy, jakie kiedykolwiek powstały w radioastronomii. Detektory cząstek dostarczyły im podstawowych informacji o nadchodzących promieniach kosmicznych.
Badacze byli w stanie wykazać, że siła emitowanego sygnału radiowego była bezpośrednią miarą energii promieniowania kosmicznego. „To niesamowite, że za pomocą prostych anten radiowych FM możemy mierzyć energię cząstek pochodzących z kosmosu” - mówi prof. Heino Falcke z Holenderskiej Fundacji Badań Astronomicznych (ASTRON), który jest rzecznikiem współpracy LOPES. „Gdybyśmy mieli wrażliwe oczy radiowe, zobaczylibyśmy niebo błyszczące błyskami radiowymi”, dodaje.
Naukowcy zastosowali pary anten podobnych do stosowanych w zwykłych odbiornikach radiowych FM. „Główną różnicą w stosunku do zwykłych radiotelefonów jest elektronika cyfrowa i odbiorniki szerokopasmowe, które pozwalają nam słuchać wielu częstotliwości jednocześnie”, wyjaśnia Dipl. Phys. Andreas Horneffer, absolwent Uniwersytetu w Bonn i Międzynarodowej Szkoły Badawczej Max-Plancka (IMPRS), który zainstalował anteny w ramach swojego projektu doktoranckiego.
Zasadniczo niektóre z wykrytych błysków radiowych są w rzeczywistości wystarczająco silne, aby zetrzeć konwencjonalny odbiór radia lub telewizji na krótki czas. Aby zademonstrować ten efekt, grupa przekształciła odbiór radiowy zdarzenia z promieniowania kosmicznego w ścieżkę dźwiękową (patrz poniżej). Ponieważ jednak błyski trwają tylko około 20-30 nanosekund, a jasne sygnały pojawiają się tylko raz dziennie, trudno byłoby je rozpoznać w życiu codziennym.
Eksperyment wykazał również, że emisja radiowa różniła się siłą w zależności od orientacji ziemskiego pola magnetycznego. Ten i inne wyniki potwierdziły podstawowe przewidywania, które zostały wykonane w obliczeniach teoretycznych wcześniej przez prof. Falcke i jego byłego doktora Tima Huege'a, a także w obliczeniach prof. Petera Gorhama z University of Hawaii.
Cząstki promieniowania kosmicznego nieustannie bombardują Ziemię, powodując niewielkie eksplozje cząstek elementarnych, które tworzą wiązkę materii i cząstki antymaterii przepływające przez atmosferę. Najlżejsze naładowane cząstki, elektrony i pozytony w tej wiązce zostaną odchylone przez pole geomagnetyczne Ziemi, które powoduje, że emitują one promieniowanie radiowe. Ten rodzaj promieniowania jest dobrze znany z akceleratorów cząstek na Ziemi i nazywa się promieniowaniem synchrotronowym. Analogicznie astrofizycy mówią teraz o promieniowaniu „geosynchrotronowym” z powodu interakcji z ziemskim polem magnetycznym.
Błyski radiowe zostały wykryte przez anteny LOPES zainstalowane w eksperymencie KASCADE-Grande w eksperymencie z prysznicem z promieniowaniem kosmicznym w Forschungszentrum Karlsruhe, Niemcy. KASCADE-Grande to wiodący eksperyment do pomiaru promieni kosmicznych. „To pokazuje siłę przeprowadzania dużego eksperymentu fizyki astrocząsteczkowej bezpośrednio w naszym sąsiedztwie - dzięki temu mogliśmy badać także nietypowe pomysły” - mówi dr Andreas Haungs, rzecznik KASCADE-Grande.
Radioteleskop LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) wykorzystuje prototypowe anteny największego radioteleskopu na świecie, LOFAR, które zostaną zbudowane po 2006 roku w Holandii i części Niemiec. LOFAR ma zupełnie nową konstrukcję, łącząc wiele tanich anten o niskiej częstotliwości, które zbierają sygnały radiowe z całego nieba jednocześnie. Połączony szybkim Internetem superkomputer może następnie wykrywać niezwykłe sygnały i robić zdjęcia interesujących regionów na niebie bez poruszania żadnymi częściami mechanicznymi. „LOPES osiągnął pierwsze ważne wyniki naukowe projektu LOFAR już w fazie rozwoju. To daje nam pewność, że LOFAR rzeczywiście będzie tak rewolucyjny, jak się spodziewaliśmy ”. wyjaśnia prof. Harvey Butcher, dyrektor Holenderskiej Fundacji Badań Astronomicznych (ASTRON) w Dwingeloo w Holandii, gdzie LOFAR jest obecnie rozwijany.
„To rzeczywiście niezwykła kombinacja, w której fizycy jądrowi i astronomowie radiowi współpracują ze sobą, aby stworzyć unikalny i wysoce oryginalny eksperyment fizyki astrocząsteczkowej”, mówi dr Anton Zensus, dyrektor Max-Planck-Institut dla Radioastronomie (MPIfR) w Bonn. „Toruje drogę dla nowych mechanizmów wykrywania w fizyce cząstek, a także demonstruje zapierające dech w piersiach możliwości teleskopów nowej generacji, takich jak LOFAR, a później tablica kilometrów kwadratowych (SKA). Nagle spotykają się duże międzynarodowe eksperymenty w różnych obszarach badawczych ”
Kolejnym krokiem astrofizyków jest wykorzystanie nadchodzącej tablicy LOFAR w Holandii i Niemczech do radioastronomii i badań promieniowania kosmicznego. Trwają testy integracji anteny radiowej z Obserwatorium Pierre Auger dla promieni kosmicznych w Argentynie i być może później w drugim Obserwatorium Auger na półkuli północnej. „Może to być znaczący przełom w technologii wykrywania. Mamy nadzieję wykorzystać tę nowatorską technikę do wykrywania i rozumienia natury promieni kosmicznych o najwyższej energii, a także do wykrywania neutrin o bardzo wysokiej energii z kosmosu ”, mówi prof. Johannes Bl? Mer, dyrektor programu Astroparticle Physics Stowarzyszenia Helmholtza i w Forschungszentrum Karlsruhe.
Wykrywanie to zostało częściowo potwierdzone przez grupę francuską wykorzystującą duży radioteleskop z obserwatorium paryskiego w Nan ?y. Historycznie, prace nad emisją radiową z promieni kosmicznych po raz pierwszy przeprowadzono pod koniec lat 60. XX wieku, z pierwszymi zarzutami wykrycia. Jednak z dzisiejszych technologii nie można było uzyskać żadnych użytecznych informacji, a prace szybko się zakończyły. Główne niedociągnięcia to brak możliwości obrazowania (teraz wdrażany przez oprogramowanie), niska rozdzielczość czasowa oraz brak dobrze skalibrowanego układu detektorów cząstek. Wszystko to zostało przezwyciężone dzięki eksperymentowi LOPES.
Oryginalne źródło: MPI News Release
