Obrazový kredit: NASA
Astronómovia sa domnievajú, že výbuchy gama lúčov, najsilnejšie explózie vo vesmíre, môžu vytvárať kozmické lúče, ktoré sú najviac energie, čo sú najviac energetické častice vo vesmíre. Dôkazy zhromaždené observatóriom Compton Gamma-Ray Observatory agentúry NASA ukázali, že v jednom prípade výbuchu gama žiarenia tieto vysokoenergetické častice dominovali oblasti, čím sa spojili medzi nimi, ale toto je len málo dôkazov, ktoré by naznačovali, že sú presvedčivo prepojené. ,
Najmocnejšie explózie vo vesmíre, výbuchy gama žiarenia, môžu podľa novej analýzy pozorovaní z Compton Gamma-Ray Observatory NASA generovať najenergetickejšie častice vo vesmíre, známe ako ultra-vysokoenergetické kozmické lúče (UHECR).
Vedci v správe zo 14. augusta vydali časopisu Nature o novo identifikovanom vzore vo svetle týchto záhadných výbuchov, ktoré by bolo možné vysvetliť protónmi pohybujúcimi sa vo vnútri vlasovej šírky rýchlosti svetla.
Týmito protónmi, napríklad šrapnel z explózie, by mohli byť UHECR. Takéto kozmické lúče sú zriedkavé a predstavujú trvalé tajomstvo astrofyziky, zdanlivo popierajúce fyzikálne vysvetlenie, pretože sú jednoducho príliš energetické, než aby boli generované známymi mechanizmami, ako sú výbuchy supernovy.
„Kozmické lúče„ zabudnú “, odkiaľ pochádzajú, pretože na rozdiel od svetla sú vo vesmíre šľahané magnetickými poľami,“ povedala vedúca autorka Maria Magdalena Gonzalezová z Národného laboratória v Los Alamos v Novom Mexiku a postgraduálna študentka na Wisconsinskej univerzite. „Tento výsledok predstavuje vzrušujúcu príležitosť vidieť dôkazy o ich produkcii pri ich zdroji.“
Výbuchy gama žiarenia - záhadní vedci sa konečne začínajú rozpadať - môžu žiariť brilantne ako milión biliónov slnka a mnohé z nich môžu pochádzať z nezvyčajne silného typu explodujúcej hviezdy. Záblesky sú bežné, ale náhodné a prchavé, trvajúce iba niekoľko sekúnd.
Kozmické lúče sú atómové častice (napríklad elektróny, protóny alebo neutrína), ktoré sa pohybujú blízko rýchlosti svetla. Kozmické lúče s nízkou energiou bombardujú Zem neustále, poháňané slnečnými erupciami a typickými explóziami hviezd. UHECRs, s každou atómovou časticou, ktorá nesie energiu baseballu hodeného v hlavných ligách, sú stok miliónkrát energetickejšie ako častice vyrobené v najväčších človekom vyrobených urýchľovačoch častíc.
Vedci tvrdia, že UHECR musia byť generované relatívne blízko Zeme, pretože akákoľvek častica cestujúca ďalej ako 100 miliónov svetelných rokov by stratila časť svojej energie v čase, keď sa k nám dostanú. Zdá sa však, že žiadny lokálny zdroj obyčajných kozmických lúčov nie je dostatočne silný na vytvorenie UHECR.
Papier pod vedením Gonzaleza sa nezameriava konkrétne na produkciu UHECR, ale skôr na nový model svetla pozorovaný pri výbuchu gama žiarenia. Skupina kopala hlboko do archívov Observatória Compton (misia sa skončila v roku 2000) a zistila, že výbuch gama žiarenia z roku 1994 s názvom GRB941017 sa javí odlišne od ostatných 2700 výbuchov zaznamenaných touto kozmickou loďou. Tento výbuch sa nachádzal v smere súhvezdia Sagitta, šípka, vzdialeného asi desať miliárd svetelných rokov.
Vedci nazývajú gama lúčmi fotóny (svetelné častice) pokrývajúce širokú škálu energií, v skutočnosti viac ako miliónkrát širšie, ako energie, ktoré naše oči zaznamenávajú ako farby v dúhe. Gonzalezova skupina sa pozerala na vysokoenergetické fotóny gama žiarenia. Vedci zistili, že tieto typy fotónov dominovali výbuchu: boli v priemere najmenej trikrát výkonnejšie ako nízkoenergetická zložka, ale prekvapivo tisíckrát silnejšie asi po 100 sekundách.
To znamená, že zatiaľ čo tok fotónov s nízkou energiou zasiahnutý detektory satelitu sa začal zmierňovať, tok fotónov s vyššou energiou zostal stabilný. Toto zistenie nie je v súlade s populárnym „modelom synchrotrónového šoku“, ktorý popisuje väčšinu impulzov. Čo by mohlo vysvetliť toto obohatenie fotónov s vyššou energiou?
„Jedným vysvetlením je, že sú zodpovedné ultra-vysokoenergetické kozmické lúče, ale presne to, ako vytvárajú gama lúče s energetickými vzormi, ktoré sme videli, si vyžaduje veľa výpočtov,“ povedala Dr. Brenda Dingus z LANL, spoluautorka na papieri. "Budeme mať niektorých teoretikov plné ruky práce, aby sme to zistili."
Oneskorené vstrekovanie ultra-vysokoenergetických elektrónov poskytuje ďalší spôsob, ako vysvetliť nečakane veľký vysokoenergetický tok gama pozorovaný v GRB 941017. Toto vysvetlenie by si však vyžadovalo revíziu štandardného burst modelu, uviedol spoluautor Dr. Charles Dermer, teoretický astrofyzik z Laboratória amerického námorného výskumu vo Washingtone. "V obidvoch prípadoch tento výsledok odhaľuje nový proces, ktorý sa vyskytuje pri výbuchoch gama lúčov," uviedol.
Doteraz neboli zistené výbuchy gama žiarenia, ktoré by vznikli do 100 miliónov svetelných rokov od Zeme, ale počas vekov sa tieto typy výbuchov mohli vyskytnúť lokálne. Ak je to tak, povedala Dingus, mechanizmus, ktorý jej skupina videla v GRB 941017, mohol byť duplikovaný blízko domu, dostatočne blízko na to, aby dodal UHECR, ktoré vidíme dnes.
Podobné burzy v archíve Compton Observatory mohli mať podobnú štruktúru, údaje však nie sú presvedčivé. Gama (NASA), vesmírny ďalekohľad (GLAST), naplánovaný na uvedenie na trh v roku 2006, bude mať detektory dostatočne silné na to, aby rozlíšili fotóny gama žiarenia s vyššou energiou a vyriešili toto tajomstvo.
Spoluautormi správy o prírode sú aj Ph.D. postgraduálny študent Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece a Dr. Michael Briggs z University of Alabama v Huntsville. Tento výskum bol financovaný NASA a Úradom pre námorný výskum.
UHECR sú pozorované pri náraze do našej atmosféry, ako je to znázornené na obrázku. Energia pri zrážke vytvára vzduchovú sprchu miliárd subatomárnych častíc a záblesky ultrafialového svetla, ktoré sú detekované špeciálnymi nástrojmi.
Národná vedecká nadácia a medzinárodní spolupracovníci sponzorovali nástroje priamo na mieste, ako napríklad Fly's Eye s vysokým rozlíšením v Utahu (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) a observatórium Auger v Argentíne (http: / /www.auger.org/). NASA okrem toho spolupracuje s Európskou vesmírnou agentúrou na umiestnení vesmírneho observatória extrémneho vesmíru (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) na Medzinárodnú vesmírnu stanicu. Navrhovaná misia OWL by sa z obežnej dráhy pozerala dolu na letecké sprchy a pozorovala tak veľký región ako Texas.
Títo vedci zaznamenávajú záblesky a sčítajú subatomický šrapnel a pracujú dozadu, aby vypočítali, koľko energie jediná častica potrebuje na vytvorenie atmosférickej kaskády. Dostanú sa k šokujúcej hodnote 10 ^ 20 elektrónových voltov (eV) alebo viac. (Na porovnanie, energia v častici žltého svetla je 2 eV a elektróny vo vašej televíznej trubici sú v rozsahu energetického rozsahu tisíc elektrónov.)
Tieto ultra-vysoko energetické častice zažívajú bizarné účinky predpovedané Einsteinovou teóriou špeciálnej relativity. Keby sme ich mohli pozorovať prichádzať zo vzdialeného rohu vesmíru, povedzme sto miliónov svetelných rokov, museli by sme byť trpezliví. Dokončenie cesty bude trvať sto miliónov rokov. Ak by sme však mohli cestovať s časticami, cesta sa skončila za menej ako jeden deň v dôsledku dilatácie času rýchlo sa pohybujúcich predmetov, merané pozorovateľom.
Kozmické lúče s najvyššou energiou nás nemôžu dosiahnuť, ak sú vyrobené zo vzdialených zdrojov, pretože sa zrážajú a strácajú energiu s kozmickými mikrovlnnými fotónmi, ktoré zostali z veľkého tresku. Zdroje týchto kozmických lúčov sa musia nachádzať relatívne blízko nás, vo vzdialenosti niekoľko stoviek miliónov svetelných rokov. Hviezdy, ktoré explodujú ako výbuchy gama žiarenia, sa nachádzajú v tejto vzdialenosti, takže prebieha intenzívne pozorovacie úsilie, aby sa našli zvyšky zhlukov gama žiarenia odlíšené žiarením spôsobeným kozmickými lúčmi.
Len málo druhov nebeských predmetov má extrémne podmienky potrebné na výbuch častíc na rýchlosť UHECR. Ak výbuchy gama lúčov produkujú UHECR, pravdepodobne to robia tak, že urýchľujú častice v prúdoch látok vyhodených z výbuchu pri rýchlosti blízkej rýchlosti svetla. Gama lúče majú silu na urýchlenie UHECR, ale doteraz pozorované gama lúče boli vzdialené, miliardy svetelných rokov. To neznamená, že sa nemôžu stať neďaleko, v medznej vzdialenosti UHECR.
Vedúcim uchádzačom o dlhotrvajúce druhy výbuchov gama žiarenia, ako je GRB941017, je model supernovy / kolaps. Supernovae sa stane, keď hviezda mnohokrát hmotnejšia ako Slnko vyčerpá svoje palivo, čo spôsobí, že sa jej jadro zrúti pod vlastnou gravitáciou, zatiaľ čo jeho vonkajšie vrstvy sú odfúknuté pri obrovskom termonukleárnom výbuchu. Collapsars sú špeciálnym typom supernovy, kde je jadro také masívne, že sa zhroutí do čiernej diery, čo je taký hustý predmet, že nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť svojej gravitácii v horizonte udalostí čiernej diery. Pozorovania však naznačujú, že čierne diery sú pochmúrne jedlíci, ktorí vypudzujú materiál, ktorý prechádza blízko ich horizontov udalostí, ale nepretína ich.
V kolapse tvorí jadro hviezdy disk materiálu okolo novovytvorenej čiernej diery, napríklad voda víriaca okolo odtoku. Čierna diera spotrebúva väčšinu disku, ale nejaká hmota je vystrekovaná tryskami z pólov čiernej diery. Trysky sa roztrhávajú cez zrútiacu sa hviezdu takmer pri rýchlosti svetla a potom prerážajú plyn obklopujúci hviezdu s odsúdeným na smrť. Keď trysky narazia do medzihviezdneho média, vytvárajú rázové vlny a spomaľujú. Vnútorné otrasy sa tiež vytvárajú v tryskách, pretože ich predné okraje sa spomaľujú a sú zasiahnuté zozadu prúdom vysokorýchlostnej hmoty. Šoky urýchľujú častice, ktoré vytvárajú gama lúče; podľa tímu mohli tiež urýchliť častice na rýchlosti UHECR.
"Je to ako poskakovať loptou na ping pong medzi loptou a stolom," povedal Dingus. „Keď posuniete lopatku bližšie k stolu, lopta sa odrazí rýchlejšie a rýchlejšie. Pri výbuchu gama lúčmi sú lopatka a stôl šplhané do trysky. Turbulentné magnetické polia núti častice premieňať sa medzi škrupinami a urýchľujú ich takmer na rýchlosť svetla predtým, ako sa uvoľnia ako UHECR. “
Detekcia neutrín z gama lúčov by dokázala urýchliť kozmické žiarenie gama lúčmi. Neutrína sú nepolapiteľné častice vyrobené, keď sa vysoko-energetické protóny zrážajú s fotónmi. Neutrína nemajú elektrický náboj, takže stále smerujú späť k zdroju.
Národná vedecká nadácia v súčasnosti buduje IceCube (http://icecube.wisc.edu/), detektor kubických kilometrov nachádzajúci sa v ľade pod južným pólom, ktorý má hľadať neutrínovú emisiu z gama lúčov. Charakteristiky urýchľovačov častíc s najvyššou energetickou hodnotou však zostávajú trvalým tajomstvom, aj keď zrýchlenie explodujúcimi hviezdami, ktoré spôsobujú výbuchy gama lúčov, bolo uprednostňované od chvíle, keď ju navrhli Mario Vietri (Universita di Roma) a Eli Waxman (Weizmann Institute). v roku 1995.
Tím verí, že zatiaľ čo pre toto pozorovanie sú možné ďalšie vysvetlenia, výsledok je v súlade so zrýchlením UHECR pri výbuchoch gama lúčov. Pri výbuchu GRB941017 videli gama lúče s nízkou spotrebou energie aj s vysokou energiou. Nízkoenergetické gama lúče sú to, čo vedci očakávajú, že vysokorýchlostné elektróny sú odklonené intenzívnymi magnetickými poľami, zatiaľ čo vysoko energetické lúče sa očakávajú, ak sa niektoré UHECR produkované pri výbuchu rozpadnú na iné fotóny a vytvoria tak sprchu častíc. , z ktorých niektoré blesky produkujú vysokoenergetické lúče gama, keď sa rozpadajú.
Načasovanie emisie gama žiarenia je tiež významné. Nízkoenergetické gama lúče pominuli pomerne rýchlo, zatiaľ čo vysoko energetické gama lúče zotrvávali. To dáva zmysel, ak sú za rôzne gama lúče zodpovedné dve rôzne triedy častíc - elektróny a protóny UHECR. „Je oveľa ľahšie pre elektróny ako pre protóny vyžarovať ich energiu. Emisia nízkoenergetických gama lúčov z elektrónov by preto bola kratšia ako vysokoenergetické gama lúče z protónov, “uviedol Dingus.
Observatórium Compton Gamma Ray Observatory bolo druhým z Veľkých observatórií NASA a gama lúčom ekvivalentným Hubbleovmu vesmírnemu teleskopu a rentgenovému observatóriu Chandra. Compton bol spustený na palubu raketoplánu Atlantis v apríli 1991 a pri 17 tonách bol najväčším astrofyzikálnym užitočným zaťažením, aké sa kedy prepravilo. Na konci svojej priekopníckej misie bol Compton deorbitovaný a 4. júna 2000 znovu vstúpil do zemskej atmosféry.
Pôvodný zdroj: NASA News Release
