Mysterieuze kosmische straling met ultrahoge energie houdt astronomen voor een raadsel – Physics World

Mysterieuze kosmische straling met ultrahoge energie houdt astronomen voor een raadsel – Physics World

Tijdstempel: 27 november 2023 11:12 uur
Bronknooppunt: 2984042

Detectie van kosmische straling
Zonnegodin: illustratie van de deeltjesregen gecreëerd door Amaterasu toen deze de atmosfeer boven de Telescope Array in Utah binnendrong. (Met dank aan: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige)

Er is een kosmisch deeltje gedetecteerd met een energie die ongeveer 36 miljoen keer groter is dan de deeltjes die worden versneld door de Large Hadron Collider van CERN. Met 244 EeV is dit een van de meest energetische deeltjes ooit waargenomen en werd in 2021 opgemerkt door de Telescope Array in Utah. Hoewel de kosmische straling met ultrahoge energie (UHECR) waarschijnlijk werd gecreëerd door een gewelddadig astrofysisch proces, konden onderzoekers de oorsprong ervan niet traceren.

De onderzoekers hebben het deeltje Amaterasu genoemd, de godin van de zon in de Japanse mythologie. Het huidige energierecord voor een UHECR is 320 EeV, vastgelegd door het ‘Oh-My-God’-deeltje, dat in 1991 in Utah werd gedetecteerd door een voorloper van de Telescope Array.

UHECR's zijn subatomaire deeltjes zoals protonen met energieën groter dan 1 EeV (1018 eV). Hoewel ze van buiten de Melkweg lijken te komen, wordt hun oorsprong nog steeds slecht begrepen vanwege de zeldzaamheid dat ze op aarde worden waargenomen.

Kosmische afsluiting

Bij het zoeken naar de oorsprong van UHECR's profiteren astronomen van een fenomeen dat de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK)-grenswaarde wordt genoemd. Dit gebeurt omdat UHECR's met energieën boven ongeveer 60 EeV interageren met de kosmische microgolfachtergrond terwijl ze door de ruimte reizen, waarbij ze onderweg energie verliezen. Dit betekent dat deeltjes met deze hogere energieën niet verder dan ongeveer 300 miljoen lichtjaar kunnen hebben gereisd voordat ze de aarde bereikten.

Ondanks deze afsluiting bleef de internationaal team dat Amaterasu ontdekte is niet wijzer over de oorsprong van het deeltje, aldus Toshihiro Fujii van de Japanse Osaka Metropolitan University – die als eerste bewijs van de UHECR opmerkte in Telescope Array-gegevens.

“We hebben dit nieuwe mysterie gevonden”, zei hij, erop wijzend dat het deeltje niet correleert met enig bekend astrofysisch object. Schrijven in het dagboek Wetenschap, het team suggereert verschillende mogelijke oorsprongen voor Amaterasu.

Duisternis en licht

Als we binnen de GZK-grens kijken en ervan uitgaan dat het deeltje werd afgebogen door het magnetische veld van de Melkweg, is een mogelijke oorsprong het sterrenstelsel NGC 6946. Dit is ongeveer 25 miljoen lichtjaar verwijderd en staat bekend om zijn wonderbaarlijke stervorming en talrijke supernova's. Astronomen hebben echter nog geen gammastraling of röntgenstraling uit de Melkweg waargenomen. Het observeren van deze straling zou de aanwezigheid suggereren van een astrofysisch object dat UHECR's kan versnellen. Amaterasu zou ook terug te voeren zijn op de Lokale Leegte, een nabijgelegen regio met een ongewoon lage dichtheid aan sterrenstelsels. Maar nogmaals, er is geen object dat als bron kan worden geïdentificeerd.

Volgens het team is een andere mogelijkheid dat ons onvolledige begrip van de deeltjesfysica buiten het standaardmodel zou kunnen betekenen dat Amaterasu verder reisde dan toegestaan ​​door de GZK-limiet. Als dit het geval is, kan het zijn dat de oorsprong van de UHECR zo ver weg ligt dat we de elektromagnetische emissies ervan niet kunnen detecteren.

Volgens Fujii is de meest exotische mogelijke bron van Amaterasu een ‘donkere versneller’ – een hypothetisch object dat UHECR’s uitzendt, maar geen andere straling.

Ondanks de ontdekking en speculatie, Rafael Alves Batista, vertelde een astrofysicus aan de Autonome Universiteit van Madrid Natuurkunde wereld dat de observatie “niets nieuws” onthult over UHECR’s.

"Ik ben conservatief in de zin dat ik niet in een verklaring zou duiken die verder gaat dan het standaardmodel", zegt hij. “We hebben astrofysische objecten die inderdaad deze hoogenergetische kosmische straling kunnen genereren. We weten gewoon niet hoe dit gebeurt, of waar deze objecten zijn, of welke objecten dit doen.”

Hij wijst er ook op dat astronomen een zeer slecht begrip hebben van magnetische velden buiten de Melkweg, wat het erg moeilijk maakt om terug te keren.

Volledige onzekerheid

“In onze Melkweg kennen we [het galactische magnetische veld] niet echt, maar we weten tenminste dat het binnen specifieke grenzen ligt. Maar voor extra galactische magnetische velden is het volkomen onzeker”, zei Batista.

Zowel Fujii als Batista zijn het erover eens dat er meer observaties van deze zeldzame gebeurtenissen nodig zijn voordat we de oorsprong van UHECR’s kunnen gaan begrijpen. Er zijn ook verbeteringen nodig in ons begrip van extragalactische magnetische velden.

Sommige van deze waarnemingen zullen zeker door de Telescope Array worden gedaan. Het is de grootste detector voor kosmische straling op het noordelijk halfrond en wordt momenteel uitgebreid tot een factor vier groter dan het huidige gebied.

Tegenwoordig worden deeltjes zoals Amaterasu ongeveer eens in de vijftien jaar gedetecteerd, maar Fujii zegt dat verbeteringen aan de Telescope Array dit kunnen terugbrengen tot eens in de vier jaar.

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld