Gamma-ray bursts fra fjerne stjerner, som vist i denne kunstnerens illustrasjon, er en mulig kilde til de ultra-kraftige "OMG-partiklene" som tidvis treffer forskernes detektorer på Jorden.
(Bilde: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI vitensenter. Sutter er også vert for "Ask a Spaceman" og "Space Radio", og leder AstroTours over hele verden. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Akkurat nå, mens du leser akkurat denne teksten, blir DNA-et ditt skåret opp av bittesmå usynlige kuler. Skadehandlerne er kjent som kosmiske stråler, selv om de absolutt ikke er stråler - men navnet stammer fra en historisk misforståelse. I stedet er de partikler: elektroner og protoner, stort sett, men tidvis tyngre ting som helium eller jernkjerner.
Disse kosmiske partiklene er problemer, fordi a) de er raske, og har så mye kinetisk energi å kaste rundt og b) de er elektrisk ladet. Dette betyr at de kan ionisere våre dårlige DNA-nukleotider, rive dem fra hverandre og av og til føre til ukontrollerbare replikasjonsfeil (alias, kreft). ['Superstar' Eta Carinae opptrer som en ginormøs kosmisk strålepistol, men hvorfor?]
Som om dette ikke var ille nok, en gang iblant, omtrent en gang per kvadratkilometer per år, kommer en partikkel skrikende inn i vår øvre atmosfære med virkelig uhyrlig hastighet, banker mot et ulykkelig nitrogen- eller oksygenmolekyl og faller ned i en dusj av lavere energi (men fortsatt dødelige, selvfølgelig) sekundære partikler.
Det er bare ett passende svar når du blir konfrontert med en partikkel med et så overholdende potensial: "OMG."
Fastballs
"OMG" var kallenavnet som ble gitt til det første eksemplet på det som nå er kjent som kosmiske stråler med høy energi, oppdaget i 1991 av University of Utahs Fly's Eye kosmiske stråledetektor. Den eneste protonen smalt inn i atmosfæren vår og gikk omtrent 99.9999999999999999999999951 prosent lysets hastighet. Og nei, alle disse ni er ikke bare for dramatisk effekt for å få tallet til å se imponerende ut - det var virkelig så raskt. Denne partikkelen hadde den samme mengden kinetisk energi som en anstendig kastet baseball ... komprimert ned til et objekt på størrelse med et proton.
Det betyr at denne partikkelen hadde over 10 millioner ganger mer energi enn hva vår kraftigste partikkelkollidering, LHC, kan produsere. På grunn av relativistisk tidsutvidelse, med den hastigheten, kunne OMG-partikkelen reise til vår nærmeste nabostjerne, Proxima Centauri, i 0,43 millisekunder av partikkelens egen tid. Det kan fortsette til vår galaktiske kjerne når du er ferdig med å lese denne setningen (fra sitt eget perspektiv).
OMG, faktisk.
Siden den partikkelen oppdaget, har vi fortsatt å se på himmelen for disse ekstreme hendelsene ved hjelp av spesialiserte teleskoper og detektorer over hele verden. Alt i alt har vi spilt inn rundt hundre av OMG-partiklene i løpet av de siste tiårene.
Disse få dusin eksemplene belyst og utdyper mysteriene om deres opprinnelse. Flere data er alltid gode, men hva pokker i vårt univers er kraftig nok til å gi en proton en god nok sprekk til at den nesten - nesten - kunne utfordre lyset til et løp?
Knuckleballs
For å akselerere en ladet partikkel til sinnssyke hastigheter, trenger du to viktige ingredienser: mye energi og et magnetfelt. Magnetfeltet gjør arbeidet med å overføre til partikkelen uansett hvilke energier som er i ditt tilfelle (si den eksplosive kinetiske energien fra en supernova-eksplosjon eller det virvlende gravitasjonstrekket når materien faller mot et svart hull). Den detaljerte fysikken er naturlig nok utrolig komplisert og ikke særlig godt forstått. Fødestedene til kosmiske stråler er fryktelig kompliserte og ligger i ekstreme regioner i vårt univers, så et fullstendig fysisk bilde kommer til å bli vanskelig å få tak i.
Men vi kan fremdeles lage noen utdannede gjetninger om hvor ekstreme eksempler som vår venn OMG-partikkelen kommer fra. Vår første gjetning kan være supernovaer, de enorme stjerners titaniske dødsfall. Magnetiske felt? Kryss av. Mye energi? Kryss av. Men ikke helt nok energi til å gjøre susen. Den stellare detonasjonen din med hage-variasjon har bare ikke rå oomph til å spytte ut partikler med de hastighetene vi vurderer.
Hva blir det neste? Aktive galaktiske kjerner er sterke utfordrere. Disse kjernene er skapt etter hvert som materien virvler seg til undergangen rundt et supermassivt svart hull som ligger i sentrum av en galakse; at materialet komprimerer og varmer opp, og danner en akkresjonsskive i dets endelige øyeblikk. At kronglete inferno genererer intense magnetfelt fra dynamohandlinger, og danner den potente blandingen av ingredienser som er nødvendige for å tilsette noen alvorlige hestekrefter til utkastede partikler.
Bortsett fra (og du visste at det kom til å bli et "unntatt"), er de aktive galaktiske kjernene for langt unna til å produsere kosmiske stråler som når jorden. Med de latterlige hastighetene til en kosmisk stråle med høy energi, er cruise gjennom kosmos mer som å prøve å pløye gjennom en snøstorm. Det er fordi med den hastigheten den kosmiske mikrobølgebakgrunnen - flommen av lavenergi-fotoner som er til overs fra det tidlige universet - virker svært blåskiftet mot høyere energier. Så det høye intensitetslyset smatter og bytter ved den omreisende kosmiske strålen, bremser og til slutt stopper det.
Dermed skulle vi ikke forvente at de kraftigste kosmiske strålene vil reise lenger enn hundre millioner lysår eller så - og de fleste av de aktive galaktiske kjernene er mye, langt lenger enn oss.
Curveballs
En god stund var en viktig mistenkt for OMG-generasjonen Centaurus A, en relativt nær aktiv, galaktisk kjerne som ligger et sted mellom 10 og 16 millioner lysår unna. Kraftig, magnetisk og nær - den perfekte kombinasjonsboksen. Men mens noen undersøkelser har antydet at kosmiske stråler kan komme fra dens generelle retning, har det aldri vært en klar nok korrelasjon til å flytte den galaksen fra mistenkt til å dømme. [Et dypt blikk på Strange Galaxy Centaurus A]
En del av problemet er at Melkeveiens eget magnetfelt subtilt endrer banen til innkommende kosmiske stråler, og skjuler de opprinnelige retningene. Så for å rekonstruere kilden til en kosmisk stråle, trenger du også modeller for styrken og retningene til galaksens magnetfelt - noe vi ikke akkurat har et fullt håndtak på.
Hvis OMG-generatoren ikke er Centaurus A av seg selv, er det kanskje Seyfert-galaksene, en viss galaktisk underklasse av generelt nærmere, generelt svakere (men fortsatt sinnsykt lyse og sterke) aktive galaktiske kjerner. Men igjen, med ikke engang hundre prøver å trekke på, er det vanskelig å gjøre en streng statistisk bestemmelse.
Kanskje er det gamma-ray bursts, antatt å stamme fra den særegne kataklysmiske enden til noen av de mest ekstreme stjernene. Men vår forståelse av fysikken i den situasjonen er (kan du tro det?) Ganske skissert.
Kanskje er det noe mer eksotisk, som topologiske defekter fra de første øyeblikkene av Big Bang eller noen funky interaksjoner innen mørk materie. Kanskje tar vi feil i fysikken, og beregningene våre for avstandsbegrensning er ikke nøyaktige. Kanskje, kanskje, kanskje ...
Den sanne opprinnelsen til disse ultrahøye energiene "OMG" -partiklene er tøffe å feste, og til tross for nesten 30 års oppdagelseshistorie, har vi ikke mange faste svar. Noe som er bra - det er bra å ha minst noen mysterier igjen i universet. Astrofysikere kan også bruke noe jobbsikkerhet.
Lær mer ved å høre på episoden i podcasten "Ask A Spaceman", som er tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk til hchrissscottt for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss @Spacedotcom, Facebook og Google+. Originalartikkel på Space.com.
