Izbruhi gama-žarkov z oddaljenih zvezd, kot je prikazano na sliki tega umetnika, so možen vir ultra močnih "OMG delcev", ki občasno zadenejo znanstvenike na detektorju.
(Slika: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter je astrofizik z ameriške univerze Ohio in glavni znanstvenik v znanstvenem centru COSI. Sutter je tudi gostitelj "Vprašaj vesoljca" in "Vesoljskega radia" in vodi AstroTours po vsem svetu. Sutter je ta članek prispeval k strokovnim glasovom Space.com: Op-Ed & Insights.
Takoj, ko berete to zelo besedilo, se vaš DNK razseka z drobnimi nevidnimi kroglicami. Trgovci s škodo so znani kot kozmični žarki, čeprav absolutno niso žarki - vendar se je ime obdržalo iz zgodovinskega nesporazuma. Namesto tega so delci: večinoma elektroni in protoni, včasih pa tudi težje stvari, kot so helij ali celo železna jedra.
Ti kozmični delci so težave, ker: a) so hitri in imajo zato veliko kinetične energije, da se vržejo okoli in b) da so električno napolnjeni. To pomeni, da lahko ionizirajo naše slabe nukleotide DNA, jih raztrgajo in občasno vodijo do nenadzorovanih napak v podvajanju (aka raka). [Superstar 'Eta Carinae deluje kot velikanska kozmična-pištolska puška, ampak zakaj?]
Kot da to ni dovolj slabo, vsake toliko časa, približno enkrat na kvadratni kilometer na leto, pride delček, ki kriči v našo zgornjo atmosfero z resnično pošastno hitrostjo, trka v nesrečo molekulo dušika ali kisika in se spušča v prho sekundarni delci z manj energije (vendar še vedno smrtonosni).
Ob soočanju z delcem tako navideznega potenciala je samo en ustrezen odgovor: "OMG."
Fastballs
"OMG" je bil vzdevek prvega primera tako imenovanih ultra-visokoenergijskih kozmičnih žarkov, ki jih je leta 1991 odkril detektor kozmičnih žarkov Univerze v Utahu Fly's Eye. Ta en sam proton je prodrl v naše ozračje, s približno 99,99999999999999999999951 odstotki hitrosti svetlobe. In ne, vsi ti deveti niso le za dramatičen učinek, da bi številka izgledala impresivno - res je bilo tako hitro. Ta delček je imel enako količino kinetične energije kot spodobno vržen baseball ... stisnjen navzdol v objekt velikosti protona.
To pomeni, da je imel ta delček več kot 10 milijonov krat več energije od tistega, kar lahko proizvede naš najmočnejši trkalnik delcev, LHC. Zaradi relativističnega časovnega razmaka bi lahko s to hitrostjo delček OMG potoval do naše najbližje sosednje zvezde, Proxime Centauri, v 0,43 milisekunde lastnega časa delca. V našo galaktično jedro se lahko nadaljuje do trenutka, ko boste prebrali ta stavek (z njegove lastne perspektive).
OMG, res.
Od odkritja teh delcev smo še naprej opazovali nebo za te ekstremne dogodke s pomočjo specializiranih teleskopov in detektorjev po vsem svetu. Če povemo, smo v zadnjih nekaj desetletjih zabeležili približno sto delcev razreda OMG.
Teh nekaj deset primerov razjasni in poglablja skrivnosti njihovega nastanka. Več podatkov je vedno dobro, toda kaj za vraga v našem vesolju je dovolj močno, da protonu da dovolj dobrega razpoka, da bi lahko skoraj - skoraj - izzval luč sam na dirko?
Členke
Za pospešitev napolnjenih delcev do noro hitrosti potrebujete dve ključni sestavini: veliko energije in magnetno polje. Magnetno polje deluje tako, da prenese delček ne glede na to, kakšne energije so v vašem primeru (recimo eksplozivna kinetična energija eksplozije supernove ali vrtinčni gravitacijski poteg, ko snov pade proti črni luknji). Podrobna fizika je seveda neverjetno zapletena in ni dobro razumljena. Rojstni kraji kozmičnih žarkov so strašno zapleteni in se nahajajo v skrajnih območjih našega vesolja, zato bo do popolne fizične slike težko priti.
Lahko pa še vedno poučimo, od kod prihajajo skrajni primeri, kot je naš prijatelj, delček OMG. Naše prvo ugibanje so morda supernove, titanske smrti ogromnih zvezd. Magnetna polja? Preverite. Veliko energije? Preverite. Toda premalo energije, da bi naredili trik. Zvezdna eksplozija vaše vrtne sorte preprosto nima dovolj surove oomfe, da bi izluščila delce pri hitrosti, ki jo razmišljamo.
Kaj je naslednje? Aktivna galaktična jedra so močni nasprotniki. Ta jedra so ustvarjena, ko se materija vrti okoli svoje supermasivne črne luknje v središču galaksije; da se material stisne in segreje, tako da v svojih končnih trenutkih tvori nabiralni disk. To zvijanje inferno ustvarja intenzivna magnetna polja iz dinamovih dejanj, kar tvori močno mešanico sestavin, potrebnih za dodajanje nekaj resnih konjskih moči izločenim delcem.
Razen (in vedeli ste, da bo šlo za "razen"), so aktivna galaktična jedra predaleč, da bi proizvajala kozmične žarke, ki dosežejo Zemljo. Pri norčavih hitrostih ultra-visokoenergijskega kozmičnega žarka je križarjenje po kozmosu bolj podobno kot poskušanje pluženja skozi mehkobo. To je zato, ker se pri teh hitrostih kozmično ozadje mikrovalov - poplava nizkoenergijskih fotonov, ki so ostali iz zelo zgodnjega vesolja - zdi močno preusmerjeno v višje energije. Torej, ta visokointenzivna svetloba se potuje in zasuje ob potujočem kozmičnem žarku, ki ga upočasni in sčasoma ustavi.
Tako ne bi smeli pričakovati, da bodo najmočnejši kozmični žarki potovali kakih več kot sto milijonov svetlobnih let ali več - in večina aktivnih galaktičnih jeder je veliko, veliko dlje od nas.
Curveballs
Kar nekaj časa je bil glavni osumljenec generacije OMG Centaurus A, razmeroma v bližini aktivno galaktično jedro, ki sedi nekje med 10 in 16 milijoni svetlobnih let. Zmogljiv, magnetni in blizu - popoln kombinacija. Toda medtem ko nekatere raziskave namigujejo, da lahko kozmični žarki prihajajo iz njegove splošne smeri, nikoli ni dovolj jasne povezave, da bi se ta galaksija premaknila od osumljenega do obsojenega. [Globok pogled na čudno galaksijo Kentavra A]
Del težave je tudi v tem, da lastno magnetno polje Mlečne poti subtilno spreminja usmeritev prihajajočih kozmičnih žarkov in prikriva njihove prvotne smeri. Torej za rekonstrukcijo vira kozmičnega žarka potrebujete tudi modele za jakost in smeri magnetnega polja naše galaksije - nekaj, česar ravno nimamo v celoti.
Če generator OMG sam po sebi ni Centaurus A, potem so to morda Seyfertove galaksije, določen galaktični podrazred na splošno bližje, na splošno šibkejše (a še vedno noro svetle in močne) aktivnih galaktičnih jeder. Ampak spet, saj niti sto vzorcev ni mogoče izluščiti, je težko narediti natančno statistično določitev.
Morda gre za razpoke gama žarkov, ki naj bi izhajali iz posebnega kataklizmičnega konca nekaterih najbolj ekstremnih zvezd. Toda naše razumevanje fizike te situacije je (ali lahko verjamete?) Nekako skop.
Morda gre za nekaj bolj eksotičnega, na primer topološke pomanjkljivosti iz najzgodnejših trenutkov velikega poka ali neke zabavne interakcije znotraj temne snovi. Mogoče napačno razumemo fiziko in naši izračuni omejitve na daljavo niso natančni. Mogoče, mogoče, morda…
Pravi izvor teh ultra-energijskih delcev "OMG" je težko določiti in kljub skoraj 30 let zgodovine odkrivanja nimamo veliko odločnih odgovorov. Kar je v redu - dobro je imeti vsaj nekaj skrivnosti v vesolju. Astrofiziki bi lahko uporabili tudi nekaj varnosti zaposlitve.
Več o tem lahko poslušate v epizodi v podkastu "Vprašaj vesoljca", ki je na voljo v iTunesu in na spletu na naslovu http://www.askaspaceman.com. Hvala hchrissscottt za vprašanja, ki so privedla do tega dela! Zastavite svoje vprašanje na Twitterju s pomočjo #AskASpaceman ali tako, da sledite Paulu @PaulMattSutter in facebook.com/PaulMattSutter. Spremljajte nas @Spacedotcom, Facebook in Google+. Izvirni članek na Space.com.
