Bildekreditt: NASA
Astronomer tror at gammastråler, de kraftigste eksplosjonene i universet, kan være å generere kosmiske stråler med høy høy energi, de mest energiske partiklene i universet. Bevis samlet av NASAs de-orbited Compton Gamma-Ray Observatory viste at i ett tilfelle av en gammastråle-utbrudd, dominerte disse høye energi-partiklene området og ga en forbindelse mellom dem, men dette er neppe nok bevis til å si at de er endelig knyttet .
De kraftigste eksplosjonene i universet, gammastråle-bursts, kan generere de mest energiske partiklene i universet, kjent som de ultrahøyenergiske kosmiske strålene (UHECRs), ifølge en ny analyse av observasjoner fra NASAs Compton Gamma-Ray Observatory.
Forskere rapporterer i 14. august-utgaven av Nature om et nylig identifisert mønster i lyset fra disse gåtefulle utbruddene som kan forklares med protoner som beveger seg innenfor en hårs bredde av lyshastighet.
Disse protonene, som splittel fra en eksplosjon, kan være UHECR-er. Slike kosmiske stråler er sjeldne og utgjør et varig mysterium i astrofysikk, tilsynelatende tross for fysisk forklaring, for de er rett og slett altfor energiske til å ha blitt generert av kjente mekanismer som supernovaeksplosjoner.
"Kosmiske stråler 'glemmer' hvor de kommer fra fordi de i motsetning til lys piskes rundt i verdensrommet av magnetfelt," sa hovedforfatter Maria Magdalena Gonzalez fra Los Alamos National Laboratory i New Mexico og doktorgradsstudent ved University of Wisconsin. "Dette resultatet er en spennende sjanse til å se bevis på at de blir produsert ved kilden."
Gamma-ray bursts - et mysterium forskere endelig begynner å løsne seg - kan skinne like strålende som en million billioner soler, og mange kan være fra en uvanlig kraftig type eksploderende stjerne. Utbruddene er vanlige, men allikevel tilfeldige og flyktige, og varer bare sekunder.
Kosmiske stråler er atompartikler (for eksempel elektroner, protoner eller nøytrinoer) som beveger seg nær lyshastighet. Kosmiske stråler med lavere energi bombarderer jorden konstant, fremdrevet av solens bluss og typiske stjerneeksplosjoner. UHECRs, med hver atompartikkel som bærer energien fra en baseball kastet i Major Leagues, er hundre millioner ganger mer energisk enn partiklene produsert i de største menneskeskapte partikkelakseleratorene.
Forskere sier at UHECR må genereres relativt nær jorden, for enhver partikkel som reiser lenger enn 100 millioner lysår, vil miste noe av sin energi når den nådde oss. Likevel virker ingen lokal kilde til vanlige kosmiske stråler kraftig nok til å generere en UHECR.
Det Gonzalez-ledede papiret fokuserer ikke spesielt på UHECR-produksjon, men snarere et nytt lysmønster sett i en gammastråle-burst. Ved å grave dypt inn i Compton Observatory-arkivene (oppdraget ble avsluttet i 2000) fant gruppen at en gammastråle fra 1994, kalt GRB941017, fremstår som annerledes enn de andre 2700-noen skurene som er registrert av dette romfartøyet. Dette sprenget lå i retning stjernebildet Sagitta, Arrow, sannsynligvis ti milliarder lysår unna.
Det forskerne kaller gammastråler er fotoner (lyspartikler) som dekker et bredt spekter av energier, faktisk mer enn en million ganger bredere enn energiene våre øyne registrerer som fargene i en regnbue. Gonzalezs gruppe så på høy-energi gamma-ray fotoner. Forskerne fant ut at denne typen fotoner dominerte utbruddet: De var minst tre ganger kraftigere i gjennomsnitt enn den lavere energikomponenten, men overraskende nok tusenvis av ganger kraftigere etter omtrent 100 sekunder.
Det vil si at mens strømmen av fotoner med lavere energi som treffer satellittens detektorer begynte å lette, forble strømmen av fotoner med høyere energi jevn. Funnet er uoverensstemmende med den populære “synchrotron sjokkmodellen” som beskriver de fleste utbrudd. Så hva kan forklare denne berikelsen av fotoner med høyere energi?
"En forklaring er at kosmiske stråler med høy energi er ansvarlige, men nøyaktig hvordan de skaper gammastråler med energimønstrene vi så, trenger mye beregning," sier Dr. Brenda Dingus fra LANL, en medforfatter på papiret. "Vi holder noen teoretikere opptatt med å prøve å finne ut av dette."
En forsinket injeksjon av ultrahøyenergi-elektroner gir en annen måte å forklare den uventet store høyeenergiske gammastråling som ble observert i GRB 941017. Men denne forklaringen vil kreve en revisjon av standard burst-modellen, sa medforfatter Dr. Charles Dermer, en teoretisk astrofysiker ved US Naval Research Laboratory i Washington. "I begge tilfeller avslører dette resultatet en ny prosess som oppstår i gammastråle-bursts," sa han.
Gamma-ray bursts ikke har blitt oppdaget med opprinnelse innen 100 millioner lysår fra Jorden, men gjennom eons kan disse typer eksplosjoner ha skjedd lokalt. I så fall, sa Dingus, kunne mekanismen hennes gruppe så i GRB 941017 ha blitt duplisert nær hjemme, nær nok til å levere de UHECR-ene vi ser i dag.
Andre utbrudd i Compton Observatory-arkivet kan ha vist et lignende mønster, men dataene er ikke avgjørende. NASAs Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), som er planlagt lansert i 2006, vil ha detektorer som er kraftige nok til å løse gamma-ray-fotoner med høyere energi og løse dette mysteriet.
Medforfattere på Nature-rapporten inkluderer også doktorgrad. doktorgradsstudent Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece, og Dr. Michael Briggs ved University of Alabama i Huntsville. Denne forskningen ble finansiert av NASA og Office of Naval Research.
UHECR blir observert når de krasjer i atmosfæren vår, som illustrert i figuren. Energien fra kollisjonen produserer en luftdusj med milliarder av subatomære partikler og blinker med ultrafiolett lys, som blir oppdaget av spesielle instrumenter.
National Science Foundation og internasjonale samarbeidspartnere har sponset instrumenter på bakken, for eksempel High Resolution Fly's Eye i Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) og Auger Observatory i Argentina (http: / /www.auger.org/). I tillegg jobber NASA med European Space Agency for å plassere Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) på den internasjonale romstasjonen. Det foreslåtte OWL-oppdraget ville fra bane se nedover mot lufttusj og se på en så stor region som Texas.
Disse forskerne registrerer blitzene og tar en folketelling av den subatomære granaten og jobber bakover for å beregne hvor mye energi en enkelt partikkel trenger for å lage den atmosfæriske kaskaden. De kommer til et sjokkerende tall på 10 ^ 20 elektronvolt (eV) eller mer. (Til sammenligning er energien i en partikkel med gult lys 2 eV, og elektronene i fjernsynsrøret ditt er i det tusen elektronstrøms energiområdet.)
Disse ultrahøyenergipartiklene opplever de bisarre effektene som er forutsagt av Einsteins teori om spesiell relativitet. Hvis vi kunne se dem komme fra et fjernt hjørne av kosmos, si hundre millioner lysår unna, måtte vi være tålmodige - det vil ta hundre millioner år å fullføre reisen. Imidlertid, hvis vi kunne reise med partiklene, er turen over på mindre enn en dag på grunn av utvidelsen av tiden til raskt bevegelige objekter som målt av en observatør.
De kosmiske strålene med høyeste energi kan ikke en gang nå oss hvis de er produsert fra fjerne kilder, fordi de kolliderer og mister energi med de kosmiske mikrobølgefotonene som er igjen fra big bang. Kilder til disse kosmiske strålene må finnes relativt nær oss, i en avstand på flere hundre millioner lysår. Stjerner som eksploderer når gammastråle-bursts blir funnet innen denne avstanden, så intensivt observasjonsarbeid pågår for å finne gammastråle-burst-rester som utmerker seg ved strålehaloer laget av de kosmiske strålene.
Få slags himmelobjekter har de ekstreme forholdene som kreves for å sprenge partikler til UHECR-hastigheter. Hvis gamma-ray bursts produserer UHECRs, gjør de det sannsynligvis ved å akselerere partikler i jetstråler som blir kastet ut fra eksplosjonen nær lysets hastighet. Gamma-ray bursts har makten til å akselerere UHECRs, men gamma-ray bursts observert så langt har vært fjernt, milliarder av lysår unna. Dette betyr ikke at de ikke kan skje i nærheten, innen UHECR-avstanden.
Supernova / Collapsar-modellen er en ledende aktør for langvarige typer gammastråler som GRB941017. Supernovaer skjer når en stjerne mange ganger mer massiv enn solen tømmer drivstoffet, og får kjernen til å kollapse under sin egen tyngdekraft mens de ytre lagene blåses av i en enorm termonukleær eksplosjon. Kollaps er en spesiell type supernova der kjernen er så massiv at den kollapser i et svart hull, et objekt så tett at ingenting, ikke engang lys, kan unnslippe tyngdekraften innenfor det sorte hullets hendelseshorisont. Observasjoner indikerer imidlertid at sorte hull er slurvete spiser, som sprenger ut materiale som passerer nær, men ikke krysser, hendelseshorisonten.
I en kollaps danner stjernens kjerne en plate av materiale rundt det nydannede sorte hullet, som vann som surrer rundt et sluk. Det sorte hullet bruker mesteparten av disken, men noe materie sprenges i jetfly fra polene i det sorte hullet. Jetene river gjennom den kollapsende stjernen nær lysets hastighet, og slår deretter gjennom gass som omgir den dødsdømte stjernen. Når jetflyene krasjer i det interstellare mediet, skaper de sjokkbølger og bremser. Interne sjokk dannes også i dysene når forkantene deres sakte og smeller bakfra av en strøm av høyhastighetsstoff. Sjokkene akselererer partikler som genererer gammastråler; de kunne også akselerere partikler til UHECR-hastigheter, ifølge teamet.
"Det er som å sprette en ping pong-ball mellom en padle og et bord," sa Dingus. “Når du beveger padleren nærmere bordet, spretter ballen raskere og raskere. I en gammastråle-burst sprøyt padleren og bordet skjellene i strålen. Turbulente magnetiske felt tvinger partiklene til å ricochette mellom skjellene, og akselererer dem til nesten lysets hastighet før de går løs som UHECR. ”
Påvisning av nøytrinoer fra gammastråle-utbrudd ville skade saken for kosmisk stråle-akselerasjon ved gammastråle-utbrudd. Nøytrinoer er unnvikende partikler som lages når protoner med høy energi kolliderer med fotoner. Neutrinos har ingen elektrisk ladning, så peker fortsatt tilbake til retningen til kilden.
National Science Foundation bygger for tiden IceCube (http://icecube.wisc.edu/), en kubikk kilometer detektor som ligger i isen under Sydpolen, for å søke etter nøytrinoutslipp fra gammastråle-utbrudd. Egenskapene til naturens partikkelakseleratorer med høyeste energi er fortsatt et varig mysterium, selv om akselerasjon av de eksploderende stjernene som gjør gammastråler har vært i fordel helt siden Mario Vietri (Universita di Roma) og Eli Waxman (Weizmann Institute) foreslo det i 1995.
Teamet mener at selv om andre forklaringer er mulige for denne observasjonen, er resultatet konsistent med UHECR-akselerasjon i gammastråle-utbrudd. De så både lavenergi og høyenergi-gammastråler i eksplosjonen av GRB941017. Gma-strålene med lav energi er hva forskerne forventer av høyhastighetselektroner som blir avledet av intense magnetfelt, mens høyeenergi-strålene er det som forventes hvis noen av UHECR-ene som produseres i utbruddet krasjer i andre fotoner, og skaper en dusj av partikler , hvorav noen blinker for å produsere høyenergi-gammastråler når de forfaller.
Tidspunktet for gammastråleutslipp er også betydelig. De lavenergiske gammastrålene bleknet relativt raskt, mens høyenergi-gammastrålene holdt seg. Dette er fornuftig hvis to forskjellige klasser av partikler - elektroner og UHECR-protoner - er ansvarlige for de forskjellige gammastrålene. "Det er mye enklere for elektroner enn protoner å utstråle energien deres. Derfor vil utslippet av lavenergi-gammastråler fra elektroner være kortere enn høy-energi-gammastråler fra protonene, sier Dingus.
Compton Gamma Ray Observatory var den andre av NASAs store observatorier og gammastrålen tilsvarer Hubble-romteleskopet og Chandra røntgenobservatorium. Compton ble lansert ombord i romfergen Atlantis i april 1991, og var på 17 tonn den største astrofysiske nyttelasten som noensinne er fløyet på den tiden. På slutten av sitt banebrytende oppdrag ble Compton deorbitt og gjenopptatt jordens atmosfære 4. juni 2000.
Originalkilde: NASA News Release
