Bí ẩn tia vũ trụ năng lượng siêu cao thách đố các nhà thiên văn học

Bí ẩn tia vũ trụ năng lượng siêu cao thách đố các nhà thiên văn học

Dấu thời gian: Ngày 27 tháng 2023 năm 11 12:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2984042

Phát hiện tia vũ trụ
Nữ thần Mặt trời: minh họa cơn mưa hạt do Amaterasu tạo ra khi nó đi vào bầu khí quyển phía trên Kính thiên văn ở Utah. (Được phép: Đại học Osaka Metropolitan/L-INSIGHT, Đại học Kyoto/Ryuunosuke Takeshige)

Một hạt tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn khoảng 36 triệu lần so với các hạt được gia tốc bởi Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN đã được phát hiện. Ở mức 244 EeV, đây là một trong những hạt giàu năng lượng nhất từng được quan sát và được phát hiện vào năm 2021 bởi Kính thiên văn ở Utah. Trong khi tia vũ trụ năng lượng siêu cao (UHECR) có thể được tạo ra bởi một quá trình vật lý thiên văn dữ dội, các nhà nghiên cứu không thể truy tìm nguồn gốc của nó.

Các nhà nghiên cứu đã đặt tên cho hạt này là Amaterasu, nữ thần Mặt trời trong thần thoại Nhật Bản. Kỷ lục năng lượng hiện tại của UHECR là 320 EeV, do hạt “Oh-My-God” nắm giữ, được phát hiện vào năm 1991 tại Utah bởi tổ tiên của Kính viễn vọng Array.

UHECR là các hạt hạ nguyên tử như proton có năng lượng lớn hơn 1 EeV (1018 eV). Mặc dù chúng dường như đến từ bên ngoài Dải Ngân hà nhưng nguồn gốc của chúng vẫn chưa được hiểu rõ do rất hiếm khi quan sát được chúng trên Trái đất.

Sự cắt đứt vũ trụ

Khi tìm kiếm nguồn gốc của UHECR, các nhà thiên văn học được hưởng lợi từ một hiện tượng gọi là điểm cắt Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK). Điều này xảy ra do các UHECR có năng lượng trên khoảng 60 EeV tương tác với nền vi sóng vũ trụ khi chúng di chuyển trong không gian – mất năng lượng khi chúng di chuyển. Điều này có nghĩa là các hạt ở mức năng lượng cao hơn này không thể di chuyển xa hơn khoảng 300 triệu năm ánh sáng trước khi đến Trái đất.

Bất chấp sự cắt giảm này, đội quốc tế đã phát hiện ra Amaterasu không khôn ngoan hơn về nguồn gốc của hạt, theo Toshihiro Fujii của Đại học Osaka Metropolitan của Nhật Bản – người đầu tiên nhận thấy bằng chứng về UHECR trong dữ liệu Kính thiên văn.

“Chúng tôi đã tìm thấy bí ẩn mới này,” ông nói và chỉ ra rằng hạt này không tương quan với bất kỳ vật thể thiên văn nào đã biết. Viết trên tạp chí Khoa học, nhóm đề xuất một số nguồn gốc có thể có của Amaterasu.

Bóng tối và ánh sáng

Nhìn vào giới hạn GZK và giả sử rằng hạt bị làm chệch hướng bởi từ trường của Dải Ngân hà, một nguồn gốc có thể là thiên hà NGC 6946. Thiên hà này cách chúng ta khoảng 25 triệu năm ánh sáng và được biết đến với sự hình thành sao phi thường và vô số siêu tân tinh. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học chưa quan sát được tia gamma hay tia X từ thiên hà. Việc quan sát bức xạ này sẽ gợi ý sự hiện diện của một vật thể thiên văn có khả năng tăng tốc UHECR. Amaterasu cũng có thể được truy nguyên từ Local Void, một khu vực gần đó với mật độ thiên hà thấp bất thường. Nhưng một lần nữa, không có đối tượng nào ở đó có thể được xác định là nguồn.

Theo nhóm nghiên cứu, một khả năng khác là sự hiểu biết chưa đầy đủ của chúng ta về vật lý hạt ngoài Mô hình Chuẩn có thể có nghĩa là Amaterasu đã di chuyển xa hơn mức cho phép của giới hạn GZK. Nếu đúng như vậy thì có thể nguồn gốc của UHECR ở quá xa nên chúng ta không thể phát hiện ra lượng phát xạ điện từ của nó.

Theo Fujii, nguồn Amaterasu kỳ lạ nhất có thể là “máy gia tốc tối” – một vật thể giả thuyết phát ra UHECR nhưng không có bức xạ nào khác.

Bất chấp sự phát hiện và suy đoán, Rafael Alves Batista, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Tự trị Madrid, nói Thế giới vật lý rằng quan sát cho thấy “không có gì mới” về UHECR.

“Tôi là người bảo thủ theo nghĩa là tôi sẽ không đưa ra bất kỳ lời giải thích nào ngoài Mô hình Chuẩn,” ông nói. “Chúng ta có những vật thể thiên văn thực sự có thể tạo ra những tia vũ trụ năng lượng cao này. Chúng tôi chỉ không biết điều này xảy ra như thế nào, hoặc những vật thể này ở đâu hoặc vật thể nào đang làm điều này.”

Ông cũng chỉ ra rằng các nhà thiên văn học có hiểu biết rất kém về từ trường bên ngoài Dải Ngân hà, điều này khiến việc quay trở lại rất khó khăn.

Sự không chắc chắn hoàn toàn

“Trong thiên hà của chúng ta, chúng ta không thực sự biết [từ trường thiên hà] nhưng ít nhất chúng ta có khả năng kiểm soát nó nằm trong giới hạn cụ thể. Tuy nhiên, đối với từ trường ngoài thiên hà, điều đó hoàn toàn không chắc chắn,” Batista nói.

Cả Fujii và Batista đều đồng ý rằng cần phải quan sát nhiều hơn về những sự kiện hiếm gặp này trước khi chúng ta có thể bắt đầu hiểu được nguồn gốc của UHECR. Cũng cần cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về từ trường ngoài thiên hà.

Một số quan sát này chắc chắn sẽ được thực hiện bởi Kính viễn vọng. Nó là máy dò tia vũ trụ lớn nhất ở bán cầu bắc và hiện đang được mở rộng để lớn hơn gấp bốn lần so với diện tích hiện tại của nó.

Ngày nay, các hạt như Amaterasu được phát hiện khoảng 15 năm một lần, nhưng Fujii cho biết những cải tiến đối với Mảng Kính thiên văn có thể giảm điều này xuống còn bốn năm một lần.

Nghiên cứu được mô tả trong Khoa học.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý