Credit de imagine: NASA
Astronomii cred că exploziile cu raze gamma, cele mai puternice explozii din Univers, pot genera raze cosmice cu energie ultrahigh, cele mai energice particule din Univers. Dovada adunată de Observatorul Compton Gamma-Ray de la NASA a arătat că, într-o singură situație a unei explozii de raze gamma, aceste particule cu energie mare au dominat zona oferind o conexiune între ele, dar acestea nu sunt suficiente dovezi pentru a spune că sunt concludente legate .
Cele mai puternice explozii din univers, exploziile cu raze gamma, pot genera cele mai energice particule din univers, cunoscute sub numele de raze cosmice ultrahigh-energetice (UHECRs), conform unei noi analize a observațiilor din Observatorul Compton Gamma-Ray al NASA.
Cercetătorii raportează în ediția din 14 august a Naturii a unui model nou identificat în lumină din aceste explozii enigmatice, care ar putea fi explicate prin protoni care se deplasează în interiorul lățimii de păr a vitezei luminii.
Acești protoni, precum șrapelul dintr-o explozie, ar putea fi UHECR. Astfel de raze cosmice sunt rare și constituie un mister de durată în astrofizică, care aparent sfidează explicația fizică, pentru că ele sunt pur și simplu prea energice pentru a fi generate de mecanisme cunoscute, cum ar fi exploziile de supernova.
„Razele cosmice„ uită ”de unde provin, pentru că, spre deosebire de lumină, sunt biciuite în spațiu de câmpuri magnetice”, a declarat Maria Magdalena Gonzalez a Laboratorului Național Los Alamos din New Mexico și studentă la Universitatea din Wisconsin. „Acest rezultat este o șansă interesantă de a vedea eventualele dovezi ale acestora la sursa lor.”
Izbucnirile cu raze gamma - un mister de științe încep în sfârșit să se dezvăluie - pot străluci la fel de genial ca un milion de trilioane de soare, iar multe pot fi dintr-un tip neobișnuit de puternic de stele care explodează. Izbucurile sunt obișnuite, dar aleatorii și trecătoare, durează doar câteva secunde.
Razele cosmice sunt particule atomice (de exemplu, electroni, protoni sau neutrini) care se deplasează aproape de viteza luminii. Razele cosmice cu energie inferioară bombardează constant Pământul, propulsate de rafale solare și explozii tipice de stele. UHECR-urile, cu fiecare particulă atomică care transportă energia unui baseball aruncat în Ligi majore, sunt de o sută de milioane de ori mai energice decât particulele produse în cele mai mari acceleratoare de particule făcute de om.
Oamenii de știință spun că UHECR-urile trebuie generate relativ aproape de Pământ, pentru că orice particulă care călătorește mai mult de 100 de milioane de ani-lumină și-ar pierde o parte din energie în momentul în care a ajuns la noi. Cu toate acestea, nici o sursă locală de raze cosmice obișnuite nu pare suficient de puternică pentru a genera un UHECR.
Hârtia condusă de Gonzalez nu se concentrează în special pe producția UHECR, ci mai degrabă un nou model de lumină observat într-o explozie de raze gamma. Săpând adânc în arhivele Observatorului Compton (misiunea s-a încheiat în 2000), grupul a constatat că o rafală de raze gamma din 1994, numită GRB941017, apare diferită de celelalte 2.700 - unele explozii înregistrate de această navă spațială. Această explozie a fost localizată în direcția constelației Sagitta, Săgeata, aflată probabil la zece miliarde de ani lumină.
Ceea ce oamenii de știință numesc raze gamma sunt fotoni (particule ușoare) care acoperă o gamă largă de energii, de fapt, de peste un milion de ori mai largi decât energiile pe care ochii noștri le înregistrează ca culorile unui curcubeu. Grupul lui Gonzalez s-a uitat la fotoni cu raze gamma cu energie mai mare. Oamenii de știință au descoperit că aceste tipuri de fotoni au dominat explozia: au fost cel puțin de trei ori mai puternici în medie decât componenta cu energie mai mică, în mod surprinzător, de mii de ori mai puternici după aproximativ 100 de secunde.
Adică, în timp ce fluxul de fotoni cu energie mai mică care lovesc detectoarele satelitului a început să se ușureze, fluxul de fotoni cu energie mai mare a rămas constant. Constatarea nu este în concordanță cu popularul „model de șoc sincrotron” care descrie cele mai multe explozii. Deci, ce ar putea explica această îmbogățire a fotonilor cu energie mai mare?
„O explicație este că razele cosmice cu energie ultrahigh sunt responsabile, dar exact cum creează razele gamma cu modelele de energie pe care le-am văzut are nevoie de multe calcule”, a spus dr. Brenda Dingus, de la LANL, coautor pe hârtie. „Vom ține ocupați câțiva teoreticieni care încearcă să descopere asta.”
O injecție întârziată de electroni cu energie ultrahigh oferă un alt mod de a explica fluxul neașteptat de mare de radiații gamma, observat în GRB 941017. Dar această explicație ar necesita o revizuire a modelului standard de spargere, a declarat co-autorul Dr. Charles Dermer, astrofizician teoretic la Laboratorul de Cercetări Navale din SUA din Washington. „În ambele cazuri, acest rezultat dezvăluie un nou proces care are loc în explozii de raze gamma”, a spus el.
Nu au fost detectate explozii cu raze gamma originare în termen de 100 de milioane de ani lumină de pe Pământ, dar prin eoni aceste tipuri de explozii s-au putut produce local. Dacă da, a spus Dingus, mecanismul pe care grupul ei l-a văzut în GRB 941017 ar fi putut fi duplicat aproape de casă, suficient de aproape pentru a furniza UHECR-urile pe care le vedem astăzi.
Este posibil ca alte explozii din arhiva Observatorului Compton să fi prezentat un model similar, dar datele nu sunt concludente. Telescopul spațial de mare suprafață (GLAST) al NASA, programat pentru lansarea în 2006, va avea detectoare suficient de puternice pentru a rezolva fotoni cu raze gamma cu energie mai mare și pentru a rezolva acest mister.
Co-autori în raportul Nature includ, de asemenea, doctorat. studentul absolvent Yuki Kaneko, dr. Robert Preece și Dr. Michael Briggs de la Universitatea Alabama din Huntsville. Această cercetare a fost finanțată de NASA și Biroul de Cercetări Navale.
UHECR sunt observate atunci când se prăbușesc în atmosfera noastră, așa cum este ilustrat în figură. Energia din coliziune produce un duș de aer cu miliarde de particule subatomice și sclipiri de lumină ultravioletă, care sunt detectate de instrumente speciale.
Fundația Națională a Științei și colaboratorii internaționali au sponsorizat instrumente la fața locului, cum ar fi „High Definition Fly's Eye” din Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) și Observatorul Auger din Argentina (http: / /www.auger.org/). În plus, NASA colaborează cu Agenția Spațială Europeană pentru a plasa Observatorul Spațial al Universului Extrem (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) pe Stația Spațială Internațională. Misiunea OWL propusă ar fi, de pe orbită, să privească în jos spre dușurile aeriene, vizionând o regiune la fel de mare ca Texas.
Acești oameni de știință înregistrează sclipirile și iau un recensământ al metalei subatomice, lucrând înapoi pentru a calcula câtă energie are nevoie de o singură particulă pentru a face cascadă atmosferică. Ele ajung la o cifră șocantă de 10 ^ 20 electron volți (eV) sau mai mult. (Pentru comparație, energia dintr-o particulă de lumină galbenă este de 2 eV, iar electronii din tubul dvs. de televiziune se află în gama de energie de o mie de electroni volt.)
Aceste particule de energie ultrahigh experimentează efectele bizare preconizate de teoria relativității speciale a lui Einstein. Dacă le-am putea observa provenind dintr-un colț îndepărtat al cosmosului, să zicem o sută de milioane de ani lumină distanță, ar trebui să avem răbdare - va dura o sută de milioane de ani pentru a finaliza călătoria. Cu toate acestea, dacă am putea călători cu particulele, călătoria se termină în mai puțin de o zi, datorită dilatării timpului obiectelor care se mișcă rapid, măsurate de un observator.
Razele cosmice cu cea mai mare energie nu ne pot ajunge chiar dacă sunt produse din surse îndepărtate, deoarece se ciocnesc și își pierd energia cu fotonii cu microunde cosmici rămași de la big bang. Sursele acestor raze cosmice trebuie găsite relativ aproape de noi, la o distanță de câteva sute de milioane de ani-lumină. Stelele care explodează în timp ce explozii de raze gamma se găsesc la această distanță, astfel că sunt în desfășurare eforturi de observație intensă pentru a găsi resturi de izbucnire de raze gamma, distinse prin halos de radiații realizate de razele cosmice.
Puține tipuri de obiecte cerești au condiții extreme necesare pentru a exploda particule la viteze UHECR. Dacă exploziile cu raze gamma produc UHECR-uri, acestea o fac probabil prin accelerarea particulelor din jeturi de materie evacuate din explozie, aproape de viteza luminii. Izbucnirile cu raze gamma au puterea de a accelera UHECR-urile, dar exploziile de raze gamma observate până acum au fost la distanță, la miliarde de ani lumină. Aceasta nu înseamnă că nu se pot întâmpla în apropiere, la distanța de decolare a UHECR.
Un concurent principal pentru tipurile de raze gamma de lungă durată, precum GRB941017, este modelul supernovei / colapsar. Supernovele se întâmplă atunci când o stea de multe ori mai masivă decât Soarele își epuizează combustibilul, determinând ca nucleul său să se prăbușească sub propria gravitație, în timp ce straturile sale exterioare sunt aruncate într-o imensă explozie termonucleară. Colapsele sunt un tip special de supernove în care miezul este atât de masiv încât se prăbușește într-o gaură neagră, un obiect atât de dens încât nimic, nici măcar ușor, nu poate scăpa de gravitația sa în orizontul evenimentului găurii negre. Cu toate acestea, observațiile indică faptul că găurile negre sunt mâncători sloppy, care evacuează material care trece aproape, dar nu traversează orizonturile lor.
Într-un colaps, miezul stelei formează un disc de material în jurul găurii negre nou formate, precum apa care se învârte în jurul unei scurgeri. Gaura neagră consumă cea mai mare parte a discului, dar o anumită materie este spulberată în jeturi de la stâlpii găurii negre. Jeturile sfâșie prin steaua care se prăbușește aproape de viteza luminii și apoi lovesc gazul care înconjoară stea condamnată. Pe măsură ce avioanele se prăbușesc în mediul interstelar, ele creează valuri de șoc și încetinesc. Șocurile interne se formează, de asemenea, în jeturi, deoarece marginile lor de frânare încetinesc și sunt lovite din spate de un flux de materie de mare viteză. Șocurile accelerează particulele care generează raze gamma; ei ar putea, de asemenea, să accelereze particulele până la viteze UHECR, potrivit echipei.
„Este ca și cum ai sări o minge de ping pong între o paletă și o masă”, a spus Dingus. „Pe măsură ce apropiați paleta mai aproape de masă, mingea sare mai repede și mai repede. Într-o explozie cu raze gamma, paleta și masa sunt scoici scoase în jet. Câmpurile magnetice turbulente forțează particulele să se ricoșeze între cochilii, accelerându-le până la aproape viteza luminii înainte de a se elibera ca UHECR. "
Detecția neutrinilor din explozii de raze gamma ar duce la accelerarea accelerării razelor cosmice prin explozii de raze gamma. Neutrinii sunt particule evazive făcute atunci când protonii cu energie mare se ciocnesc cu fotoni. Neutrinii nu au nicio sarcină electrică, așa că încă îți doresc din nou direcția sursei.
Fundația Națională de Știință construiește în prezent IceCube (http://icecube.wisc.edu/), un detector de kilometri cubi situat în gheața de sub Polul Sud, pentru a căuta emisiile de neutrini din explozii de raze gamma. Cu toate acestea, caracteristicile acceleratorilor de particule cu cele mai mari energii ale naturii rămân un mister de durată, deși accelerația de către stelele în explozie care fac rafale de raze gamma a fost în favoare de când Mario Vietri (Universita di Roma) și Eli Waxman (Institutul Weizmann) au propus-o în 1995.
Echipa consideră că, în timp ce alte explicații sunt posibile pentru această observație, rezultatul este în concordanță cu accelerația UHECR în explozii de raze gamma. Au văzut atât raze gamma cu energie redusă, cât și energie înaltă în explozia GRB941017. Razele gamma cu energie scăzută sunt ceea ce așteaptă oamenii de știință de la electronii de mare viteză care sunt deviați de câmpuri magnetice intense, în timp ce razele cu energie mare sunt ceea ce se așteaptă dacă unele dintre UHECR produse în explozie se prăbușesc în alți fotoni, creând un duș de particule. , unele dintre ele clipește pentru a produce raze gamma de mare energie atunci când se descompun.
Momentul emisiilor de raze gamma este, de asemenea, semnificativ. Razele gamma cu energie scăzută au dispărut relativ repede, în timp ce razele gamma cu energie mare au persistat. Acest lucru are sens dacă două clase diferite de particule - electronii și protonii UHECR - sunt responsabili pentru diferitele raze gamma. „Pentru electroni este mult mai ușor decât protonii pentru a-și radia energia. Prin urmare, emisia de raze gamma cu energie scăzută de la electroni ar fi mai scurtă decât razele gamma de mare energie de la protoni ”, a spus Dingus.
Observatorul Compton Gamma Ray a fost al doilea dintre marile observatorii ale NASA și echivalentul razei gamma a telescopului spațial Hubble și a observatorului cu raze X Chandra. Compton a fost lansat la bordul navetei spațiale Atlantide în aprilie 1991, iar la 17 tone, a fost cea mai mare sarcină utilă astrofizică zburată vreodată la acea vreme. La sfârșitul misiunii sale de pionierat, Compton a fost deorbitat și a reintrat în atmosfera Pământului la 4 iunie 2000.
Sursa originală: Comunicat de presă al NASA
