Kreditna slika: NASA
Astronomi verjamejo, da lahko eksplozije gama žarkov, najmočnejše eksplozije v vesolju, ustvarjajo kozmične žarke ultra-visoke energije, najbolj energijske delce v vesolju. Dokazi, ki jih je zbral NASA-jev razkrojeni observatorij Compton Gamma-Ray, so pokazali, da so v enem primeru eksplozije gama žarkov ti visokoenergijski delci prevladovali na območju, ki povezuje med njimi, vendar je to komaj dovolj dokazov, da bi lahko rekli, da so dokončno povezani .
Najnovejše eksplozije v vesolju, gama žarki, lahko ustvarijo najbolj energijske delce v vesolju, znane kot ultra-visokoenergetski kozmični žarki (UHECR), kaže nova analiza opazovanj iz Nasinega opazovalnega gama-Rayjevega opazovalnika Compton Gamma-Ray.
Raziskovalci poročajo v 14. avgustski reviji Nature o novo identificiranem vzorcu v luči teh enigmatičnih razpokov, ki bi jih lahko razložili s protoni, ki se gibljejo znotraj svetlobne hitrosti las.
Ti protoni, kot šrapneli od eksplozije, bi lahko bili UHECR. Takšni kozmični žarki so redki in predstavljajo trajno skrivnost v astrofiziki, na videz kljubujejo fizični razlagi, saj so preprosto preveč energični, da bi jih ustvarili dobro znani mehanizmi, kot so eksplozije supernove.
"Kozmični žarki" pozabijo ", od kod prihajajo, saj jih za razliko od svetlobe magnetna polja bivajo v vesolju," je povedala glavna avtorica Maria Magdalena Gonzalez iz Nacionalnega laboratorija Los Alamos v Novi Mehiki in podiplomka na univerzi v Wisconsinu. "Ta rezultat je vznemirljiva priložnost, da bi morda videli dokaze, da so bili pridobljeni pri viru."
Izbruhi gama žarkov - skrivnostni znanstveniki se končno začnejo razpletati - lahko zasijejo tako sijajno kot milijon trilijonov soncev, veliko pa jih lahko izvira iz nenavadno močne vrste eksplodirajoče zvezde. Vdori so pogosti, vendar naključni in minljivi, trajajo le nekaj sekund.
Kozmični žarki so atomski delci (na primer elektroni, protoni ali nevtrini), ki se gibljejo blizu svetlobne hitrosti. Kozmično žarki z nižjo energijo nenehno bombardirajo Zemljo, ki jo poganjajo sončni žarki in značilne eksplozije zvezd. UHECR, z vsakim atomskim delcem, ki nosi energijo baseballa, vrženega v glavnih ligah, so sto milijonov krat bolj energični kot delci, proizvedeni v največjih pospeševalcih delcev, ki jih je ustvaril človek.
Znanstveniki trdijo, da je treba UHECR ustvariti relativno blizu Zemlje, saj bi vsak delček, ki potuje več kot 100 milijonov svetlobnih let, izgubil del svoje energije, ko bi ga dosegel. Toda noben lokalni vir navadnih kozmičnih žarkov se ne zdi dovolj močan, da bi ustvaril UHECR.
Papir, ki ga vodi Gonzalez, se ne osredotoča posebej na proizvodnjo UHECR, temveč na nov vzorec svetlobe, ki ga vidimo v eksploziji gama žarkov. Kopajoč globoko v arhivih Compton Observatory (misija se je končala leta 2000), je skupina ugotovila, da se gama-žarki iz leta 1994 z imenom GRB941017 zdijo drugačni od ostalih 2700-krat eksplozij, ki jih je zabeležilo to vesoljsko plovilo. Ta razpok se je nahajal v smeri ozvezdja Sagitta, puščice, verjetno oddaljene deset milijard svetlobnih let.
Kar znanstveniki imenujejo gama žarki, so fotoni (svetlobni delci), ki pokrivajo širok razpon energij, pravzaprav več kot milijonkrat širši od energij, ki jih naše oči beležijo kot barve v mavrici. Gonzalezova skupina si je ogledala fotone z visoko energijo gama žarkov. Znanstveniki so ugotovili, da so ti tipi fotonov prevladovali pri porušitvi: V povprečju so bili vsaj trikrat močnejši od komponente z nižjo energijo, presenetljivo pa so bili v približno 100 sekundah tisočkrat močnejši.
To pomeni, da je pretok fotonov z nižjo energijo, ki zadenejo na satelitske detektorje, začel umirjati, tok visokoenergijskih fotonov pa je ostal enakomeren. Ugotovitev ni v skladu s priljubljenim modelom "sinhrotronskega šoka", ki opisuje večino razpokov. Kaj bi torej lahko pojasnilo to obogatitev visokoenergijskih fotonov?
"Ena od razlag je, da so kozmični žarki ultralahke energije odgovorni, vendar natančno to, kako ustvarjajo gama žarke z energijskimi vzorci, ki smo jih videli, je treba veliko izračunati," je povedala dr. Brenda Dingus iz LANL, soavtorja prispevka. "Nekateri teoretiki bomo zaposleni, da bi to ugotovili."
Zakasnjen vbrizg elektrona z visoko energijo omogoča še en način razlage nepričakovano velikega visokoenergijskega toka gama žarkov, ki so ga opazili v GRB 941017. Toda to razlago bi zahtevalo revizijo standardnega modela porušitve, je dejal soavtor dr. Charles Dermer, teoretični astrofizik iz ameriškega laboratorija za pomorstvo v Washingtonu. "V obeh primerih ta rezultat razkriva nov postopek, ki se pojavlja pri gama žarkih," je dejal.
Izbruhi gama žarkov niso bili odkriti v 100 milijonih svetlobnih let od Zemlje, vendar se bodo te vrste eksplozij lahko zgodile lokalno. Če bi bilo tako, bi dejal Dingus, mehanizem, ki ga je videla njena skupina v GRB 941017, mogoče podvojiti blizu doma, dovolj blizu, da bi lahko oskrbel UHECR, ki jih vidimo danes.
Tudi drugi razpoki v arhivu Compton Observatory so lahko podobni, vendar podatki niso prepričljivi. Nasin vesoljski teleskop z veliko površino Gama (GLAST), ki naj bi bil predstavljen leta 2006, bo imel detektorje dovolj zmogljive za razrešitev visokoenergijskih fotonov gama žarkov in za rešitev te skrivnosti.
Soavtorji poročila Nature so tudi dr. podiplomski študent Yuki Kaneko, dr. Robert Preece in dr. Michael Briggs z univerze Alabama v Huntsvilleu. To raziskavo sta financirala NASA in Urad za pomorske raziskave.
UHECR opazimo, ko se zrušijo v naše ozračje, kot je prikazano na sliki. Energija, ki nastane pri trčenju, ustvari zračni tuš milijard subatomskih delcev in utripov ultravijolične svetlobe, ki jih zaznajo posebni instrumenti.
Nacionalna znanstvena fundacija in mednarodni sodelavci so na terenu sponzorirali instrumente, kot so visoko ločitveno muho v Utahu (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) in observatorij Auger v Argentini (http: / /www.auger.org/). Poleg tega NASA sodeluje z Evropsko vesoljsko agencijo, da bi postavila Mednarodni vesoljski observatorij (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) na Mednarodno vesoljsko postajo. Predlagana misija OWL bi z orbite gledala navzdol proti zračnim prham in gledala na regijo, veliko kot Teksas.
Ti znanstveniki snemajo bliskavice in opravijo popis subatomskih šrapnelov, pri čemer izračunajo, koliko energije potrebuje en delček, da bi naredil atmosfersko kaskado. Dosežejo šokantno vrednost 10 ^ 20 elektronskih voltov (eV) ali več. (Za primerjavo: energija v delcu rumene svetlobe je 2 eV, elektroni v vaši televizijski cevi pa so v območju tisoč elektronskih voltov.)
Ti delci ultravisoke energije doživljajo bizarne učinke, ki jih predvideva Einsteinova teorija posebne relativnosti. Če bi jih lahko opazovali iz oddaljenega kotička kozmosa, recimo sto milijonov svetlobnih let, bi morali biti potrpežljivi - potrebovati bo sto milijonov let, da bi potovanje končali. Če pa bi lahko potovali z delci, se potovanje konča v manj kot enem dnevu zaradi podaljševanja časa hitro premikajočih se predmetov, kot ga izmeri opazovalec.
Največji energijski kozmični žarki do nas ne morejo doseči, če so proizvedeni iz oddaljenih virov, ker trčijo in izgubljajo energijo s kozmičnimi mikrovalovnimi fotoni, ki so ostali od velikega praska. Viri teh kozmičnih žarkov moramo najti relativno blizu nas, na razdalji nekaj sto milijonov svetlobnih let. Na tej razdalji najdemo zvezde, ki eksplodirajo kot eksplozije gama, zato so potrebna intenzivna opazovalna prizadevanja za iskanje ostankov porušitve gama žarkov, ki jih odlikujejo sevalni halovi, ki jih povzročajo kozmični žarki.
Nekaj vrst nebesnih objektov ima ekstremne pogoje, ki so potrebni za miniranje delcev do UHECR hitrosti. Če razpoki gama žarkov proizvajajo UHECR, verjetno to storijo tako, da pospešijo delce v curkih snovi, ki se izločijo zaradi eksplozije s hitrostjo svetlobe. Izbruhi gama žarkov lahko pospešijo UHECR, vendar so bili do zdaj opaženi odmori gama žarkov oddaljeni, več milijard svetlobnih let. To ne pomeni, da se ne morejo zgoditi v bližini, znotraj meje razdalje UHECR.
Vodilni kandidat za dolgožive vrste gama žarkov, kot je GRB941017, je model supernove / kolapsarja. Supernove se zgodijo, ko zvezda, večkrat bolj množična od Sonca, izčrpava svoje gorivo, zaradi česar se njeno jedro pod lastno gravitacijo zruši, medtem ko se njene zunanje plasti odpihnejo v neizmerni termonuklearni eksploziji. Collapsars so posebna vrsta supernove, kjer je jedro tako masivno, da se zruši v črno luknjo, predmet, ki je tako gost, da nič, niti svetloba, ne more ubežati svoji gravitaciji znotraj dogodkovnega območja črne luknje. Vendar opažanja kažejo, da so črne luknje nejeverni jedci, ki odvržejo material, ki gre blizu njihovega obzorja dogodkov, vendar ga ne prestopi.
Zvezdino jedro tvori disk materiala okoli novo nastale črne luknje, kot voda, ki se vrti okoli odtoka. Črna luknja porabi večino diska, nekaj snovi pa se razstreli v curkih s polov črne luknje. Letala se s hitrostjo svetlobe strgajo skozi padajočo zvezdo in nato prebijajo plin, ki obdaja obsojeno zvezdo. Ko se curki strmoglavijo v medzvezdni medij, ustvarijo udarne valove in upočasnijo. Notranji sunki nastanejo v curkih, saj so njihovi vodilni robovi počasni, od zadaj pa jih strese tok snovi visoke hitrosti. Pretresi pospešijo delce, ki ustvarjajo gama žarke; Po mnenju ekipe bi lahko tudi pospešili delce do UHECR hitrosti.
"Kot bi odmetavali žogico za ping pong med veslom in mizo," je dejal Dingus. "Ko pomaknete veslo bližje mizi, žoga odskoči vse hitreje in hitreje. V eksploziji gama-žarkov sta veslo in miza školjke izstreljene v curku. Turbulentna magnetna polja silijo delce, da rikoširajo med lupinami in jih pospešijo do skoraj hitrosti svetlobe, preden se razbijejo kot UHECR. "
Zaznavanje nevtrinov v eksplozijah gama žarkov bi povzročilo pospeševanje kozmičnih žarkov z eksplozijami gama žarkov. Nevtrini so nerazločni delci, ki nastanejo, ko visokoenergetski protoni trčijo v fotone. Nevtrini nimajo električnega naboja, zato še vedno kažejo na smer svojega vira.
Nacionalna znanstvena fundacija trenutno gradi IceCube (http://icecube.wisc.edu/), kubični detektor kubičnih kilometrov, ki se nahaja v ledu pod Južnim polomom, da bi iskal emisije nevtrinov iz razpokov gama-žarkov. Kljub temu značilnosti naravnih pospeševalcev delcev z največjo energijo ostajajo trajna skrivnost, čeprav je pospeševanje eksplodirajočih zvezd, ki delajo gama žarke, naklonjeno, odkar sta to predlagala Mario Vietri (Universita di Roma) in Eli Waxman (Weizmann Institute). leta 1995.
Skupina meni, da so za to opazovanje možne še druge razlage, vendar pa je rezultat skladen s pospeševanjem UHECR pri izbruhih gama žarkov. V eksploziji GRB941017 so videli tako nizkoenergijske kot visokoenergijske gama žarke. Nizkoenergijski gama žarki so tisto, kar znanstveniki pričakujejo, da se hitri elektroni odbijejo z intenzivnimi magnetnimi polji, medtem ko so visokoenergijski žarki tisto, kar se pričakuje, če se nekateri UHECR-ji, ki nastanejo v rafalu, zrušijo na druge fotone in ustvarijo tuš delcev , od katerih nekateri utripajo in proizvajajo visoko energijske gama žarke, ko razpadejo.
Pomemben je tudi čas oddajanja gama žarkov. Nizkoenergijski gama žarki so relativno hitro zbledeli, medtem ko so visokoenergijski gama žarki ostali. To je smiselno, če sta za različne gama žarke odgovorna dva različna razreda delcev - elektroni in protoni UHECR. "Elektroni veliko lažje kot protoni oddajajo svojo energijo. Zato bi bila emisija nizkoenergijskih gama žarkov iz elektronov krajša od visokoenergijskih gama žarkov iz protonov, «je dejal Dingus.
Compton Gamma Ray Observatory je bil drugi od Nasinih velikih opazovalnic in gama-žarek, enakovreden vesoljskemu teleskopu Hubble in rentgenskemu observatoriju Chandra. Compton je bil aprila 1991 izstreljen na vesoljski vesoljski Atlantis in je s 17 tonami predstavljal največjo astrofizično koristnost, ki je bila kdaj letela v tem času. Ob koncu svoje pionirske misije je bil Compton deorbit in je 4. junija 2000 ponovno zašel v Zemljino ozračje.
Izvirni vir: NASA News Release
