Lavfrekvent radiohimmel på tidspunktet for et kosmisk strålehit. Bildekreditt: MPIFR. Klikk for å forstørre.
Ved hjelp av LOPES-eksperimentet, en prototype av det nye høyteknologiske radioteleskopet LOFAR for å oppdage kosmiske strålepartikler med ultrahøy energi, har en gruppe astrofysikere i samarbeid med Max-Planck-Gesellschaft og Helmholtz-Gemeinschaft registrert det lyseste og raskeste radioblåsinger noensinne sett på himmelen. Sprengningene, hvis deteksjon er rapportert i denne ukens utgave av tidsskriftet Nature, er dramatiske blitz av radiolys som virker mer enn 1000 ganger lysere enn solen og nesten en million ganger raskere enn normalt lyn. I et veldig kort øyeblikk blir disse blinkene - som til nå stort sett har blitt lagt merke til - til det skarpeste lyset på himmelen med en diameter som er dobbelt så stor som månen.
Eksperimentet viste at radioblinkene produseres i jordatmosfæren, forårsaket av påvirkningen av de mest energiske partiklene som er produsert i kosmos. Disse partiklene kalles kosmiske stråler med høy energi og deres opprinnelse er et pågående puslespill. Astrofysikerne håper nå at deres funn vil kaste nytt lys over mysteriene til disse partiklene.
Forskerne brukte en rekke radioantenner og det store utvalget av partikkeldetektorer fra KASCADE-Grande-eksperimentet ved Forschungszentrum Karlsruhe. De viste at når en veldig energisk kosmisk partikkel traff jordatmosfæren, ble det registrert en tilsvarende radiopuls fra retningen til den innkommende partikkelen. Ved hjelp av bildeteknikker fra radioastronomi produserte gruppen til og med digitale filmsekvenser av disse hendelsene, og ga de raskeste filmene som noen gang er produsert i radioastronomi. Partikkeldetektorene ga dem grunnleggende informasjon om de innkommende kosmiske strålene.
Forskerne kunne vise at styrken til det utsendte radiosignalet var et direkte mål på den kosmiske strålenergien. "Det er utrolig at vi med enkle FM-radioantenner kan måle energien til partikler som kommer fra kosmos," sier professor Heino Falcke fra Netherlands Foundation for Research in Astronomy (ASTRON) som er talsperson for LOPES-samarbeidet. "Hvis vi hadde følsomme radioøyne, ville vi se himmelen glitre av radioblink," legger han til.
Forskerne brukte par antenner som ligner de som ble brukt i vanlige FM-radiomottakere. "Hovedforskjellen til normale radioer er digital elektronikk og bredbåndsmottakere, som lar oss lytte til mange frekvenser på en gang", forklarer Dipl. Phys. Andreas Horneffer, en doktorgradsstudent ved Universitetet i Bonn og International Max-Planck Research School (IMPRS), som installerte antennene som en del av sitt doktorgradsprosjekt.
I prinsippet er noen av de oppdagede radioblinkene faktisk sterke nok til å utslette konvensjonell radio- eller TV-mottak i løpet av kort tid. For å demonstrere denne effekten har gruppen konvertert radiomottaket av en kosmisk strålehendelse til et lydspor (se nedenfor). Siden blinkene bare varer i 20-30 nanosekunder og lyse signaler bare skjer en gang om dagen, vil de neppe bli gjenkjennelig i hverdagen.
Eksperimentet viste også at radioutslippet varierte i styrke i forhold til retningen til det magnetiske jordfeltet. Dette og andre resultater bekreftet grunnleggende forutsigelser som ble gjort i teoretiske beregninger tidligere av prof. Falcke og hans tidligere doktorgradsstudent Tim Huege, samt i beregninger av prof. Peter Gorham fra University of Hawaii.
Kosmiske strålepartikler bombarderer stadig jorden og forårsaker små eksplosjoner av elementære partikler som danner en stråle av materie og antistoffpartikler som suser gjennom atmosfæren. De letteste ladede partikler, elektroner og positroner, i denne strålen vil bli avbøyd av jordas geomagnetiske felt som får dem til å avgi radioutslipp. Denne typen stråling er godt kjent fra partikkelakseleratorer på jorden og kalles synkrotronstråling. I analogi snakker astrofysikerne nå om "geosynkrotron" -stråling på grunn av samspillet med jordens magnetfelt.
Radioblinkene ble oppdaget av LOPES-antennene installert ved KASCADE-Grande kosmisk stråle-luftdusjeksperiment i Forschungszentrum Karlsruhe, Tyskland. KASCADE-Grande er et ledende eksperiment for måling av kosmiske stråler. "Dette viser styrken ved å ha et stort fysiologisk eksperiment i astropartikler direkte i vårt nærområde - dette ga oss fleksibiliteten til også å utforske uvanlige ideer som dette," sier Dr. Andreas Haungs, talsperson for KASCADE-Grande.
Radioteleskopet LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) bruker prototypantenner til det største radioteleskopet i verden, LOFAR, som ble bygget etter 2006 i Nederland og deler av Tyskland. LOFAR har et radikalt nytt design, som kombinerer en mengde billige lavfrekvente antenner som samler radiosignalene fra hele himmelen på en gang. Tilkoblet via høyhastighetsinternett har en superdatamaskin evnen til å oppdage uvanlige signaler og lage bilder av interessante regioner på himmelen uten å bevege noen mekaniske deler. “LOPES oppnådde de første store vitenskapelige resultatene av LOFAR-prosjektet allerede i utviklingsfasen. Dette gjør oss sikre på at LOFAR virkelig vil være like revolusjonerende som vi hadde håpet på. forklarer prof. Harvey Butcher, direktør for Netherlands Foundation for Research in Astronomy (ASTRON) i Dwingeloo, Nederland, hvor LOFAR for tiden er under utvikling.
"Dette er virkelig en uvanlig kombinasjon, der kjernefysikere og radioastronomer samarbeider for å skape et unikt og høyst originalt fysiologisk eksperiment i astropartikler," uttaler Dr. Anton Zensus, direktør ved Max-Planck-Institut for Radioastronomie (MPIfR) i Bonn. “Det baner vei for nye deteksjonsmekanismer innen partikkelfysikk, så vel som å demonstrere de fantastiske funksjonene til neste generasjons teleskoper som LOFAR og senere Square Kilometer Array (SKA). Plutselig kommer store internasjonale eksperimenter på forskjellige forskningsområder sammen ”
Som et neste trinn vil astrofysikerne bruke den kommende LOFAR-matrisen i Nederland og Tyskland til radioastronomi og kosmisk stråleundersøkelse. Det pågår test for å integrere radioantenne i Pierre Auger-observatoriet for kosmiske stråler i Argentina og muligens senere i det andre Auger-observatoriet på den nordlige halvkule. “Dette kan være et stort gjennombrudd innen deteksjonsteknologi. Vi håper å bruke denne nye teknikken for å oppdage og forstå naturen til de kosmiske strålene med høyeste energi og også for å oppdage nøytrinoer med høyhøy energi fra kosmos, sier professor Johannes Bl? Mer, programleder for Astroparticle Physics i Helmholtz Association og på Forschungszentrum Karlsruhe.
Oppdagelsen er delvis bekreftet av en fransk gruppe som bruker det store radioteleskopet fra Paris-observatoriet ved Nanay. Historisk sett ble arbeidet med radioutslipp fra kosmiske stråler først utført på slutten av 1960-tallet med de første påstandene om deteksjoner. Imidlertid kunne ingen nyttig informasjon hentes ut med teknologien i disse dager, og arbeidet opphørte raskt. De viktigste manglene var mangelen på bildebehandlingsfunksjoner (nå implementert av programvare), den lave tidsoppløsningen og mangelen på en godt kalibrert partikkeldetektorarray. Alt dette har blitt overvunnet med LOPES-eksperimentet.
Originalkilde: MPI News Release
