Mystisk ultrahøjenergi kosmisk stråle puslespil astronomer – Physics World

Mystisk ultrahøjenergi kosmisk stråle puslespil astronomer – Physics World

Tidsstempel: 27. november 2023 kl. 11
Kildeknude: 2984042

Kosmisk stråledetektion
Solgudinde: illustration af regnbygen af ​​partikler skabt af Amaterasu, da den kom ind i atmosfæren over Telescope Array i Utah. (Med høflighed: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige)

En kosmisk strålepartikel med en energi, der er omkring 36 millioner gange større end de partikler, der accelereres af CERNs Large Hadron Collider, er blevet påvist. Ved 244 EeV er dette en af ​​de mest energiske partikler, der nogensinde er observeret, og blev opdaget i 2021 af Telescope Array i Utah. Mens den ultrahøjenergiske kosmiske stråle (UHECR) sandsynligvis blev skabt af en voldsom astrofysisk proces, var forskerne ikke i stand til at spore den tilbage til dens oprindelse.

Forskerne har døbt partiklen Amaterasu, som er solens gudinde i japansk mytologi. Den nuværende energirekord for en UHECR er 320 EeV, som holdes af "Oh-My-God"-partiklen, som blev detekteret i 1991 i Utah af en forgænger til Telescope Array.

UHECR'er er subatomære partikler såsom protoner, der har energier større end 1 EeV (1018 eV). Mens de ser ud til at komme uden for Mælkevejen, er deres oprindelse stadig dårligt forstået på grund af sjældenheden af ​​at observere dem på Jorden.

Kosmisk afskæring

Når de søger efter oprindelsen af ​​UHECR'er, drager astronomer fordel af et fænomen kaldet Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cut-off. Dette sker, fordi UHECR'er med energier over omkring 60 EeV interagerer med den kosmiske mikrobølgebaggrund, når de rejser gennem rummet - og mister energi, mens de går. Det betyder, at partikler ved disse højere energier ikke kan have rejst længere end omkring 300 millioner lysår, før de når Jorden.

På trods af denne afskæring er internationalt hold, der opdagede Amaterasu er ikke klogere på partiklens oprindelse, iflg Toshihiro Fujii fra Japans Osaka Metropolitan University – som var den første til at bemærke beviser for UHECR i Telescope Array-data.

"Vi fandt dette nye mysterium," sagde han og påpegede, at partiklen ikke korrelerer med noget kendt astrofysisk objekt. Skrivning i journalen Videnskab, holdet foreslår flere mulige oprindelser for Amaterasu.

Mørke og lys

Ser man inden for GZK-grænsen og antager, at partiklen blev afbøjet af Mælkevejens magnetfelt, er en mulig oprindelse galaksen NGC 6946. Denne er omkring 25 millioner lysår væk og kendt for sin vidunderlige stjernedannelse og adskillige supernovaer. Astronomer har dog ikke observeret gammastråler eller røntgenstråler fra galaksen. At observere denne stråling ville antyde tilstedeværelsen af ​​et astrofysisk objekt, der er i stand til at accelerere UHECR'er. Amaterasu kunne også spores tilbage til det lokale tomrum, en nærliggende region med en usædvanlig lav tæthed af galakser. Men igen, der er ingen genstand der, der kan identificeres som en kilde.

Ifølge holdet er en anden mulighed, at vores ufuldstændige forståelse af partikelfysik ud over standardmodellen kan betyde, at Amaterasu rejste længere end tilladt af GZK-grænsen. Hvis dette er tilfældet, så kan det være, at UHECR's oprindelse er så langt væk, at vi ikke kan opdage dens elektromagnetiske emissioner.

Ifølge Fujii er den mest eksotiske mulige kilde til Amaterasu en "mørk accelerator" - et hypotetisk objekt, der udsender UHECR'er, men ingen anden stråling.

På trods af opdagelsen og spekulationerne, Rafael Alves Batista, fortalte en astrofysiker ved det autonome universitet i Madrid Fysik verden at observationen afslører "intet nyt" om UHECR'er.

"Jeg er en konservativ i den forstand, at jeg ikke ville springe ud i nogen forklaring ud over Standardmodellen," siger han. "Vi har astrofysiske objekter, som faktisk kan generere disse højenergiske kosmiske stråler. Vi ved bare ikke, hvordan det sker, eller hvor disse objekter er, eller hvilke objekter der gør dette."

Han påpeger også, at astronomer har en meget dårlig forståelse af magnetfelter uden for Mælkevejen, hvilket gør tilbagesporing meget vanskelig.

Fuldstændig usikkerhed

"I vores galakse kender vi ikke rigtigt [det galaktiske magnetfelt], men vi har i det mindste et håndtag på, at det er inden for specifikke grænser. Men for ekstra galaktiske magnetfelter er det fuldstændig usikkert,” sagde Batista.

Både Fujii og Batista er enige om, at flere observationer af disse sjældne begivenheder er nødvendige, før vi kan begynde at forstå oprindelsen af ​​UHECR'er. Der er også behov for forbedringer til vores forståelse af ekstragalaktiske magnetfelter.

Nogle af disse observationer vil helt sikkert blive foretaget af Telescope Array. Det er den største kosmiske stråledetektor på den nordlige halvkugle og er i øjeblikket ved at blive udvidet til at være en faktor fire større end dets nuværende område.

I dag opdages partikler som Amaterasu cirka en gang hvert 15. år, men Fujii siger, at forbedringer af Telescope Array kan reducere dette til en gang hvert fjerde år.

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden