Bildkredit: NASA
Astronomer tror att gammastrålar, de mest kraftfulla explosionerna i universum, kan generera kosmiska strålar med ultrahög energi, de mest energiska partiklarna i universum. Bevis som samlats in av NASA: s omloppade Compton Gamma-Ray-observatorium visade att i ett fall av en gammastrålsprängning dominerade dessa högenergipartiklar området och gav en koppling mellan dem, men detta är knappast tillräckligt med bevis för att säga att de är slutgiltigt kopplade .
De mest kraftfulla explosionerna i universum, gammastrålar, kan generera de mest energiska partiklarna i universum, känd som de ultrahögenergiska kosmiska strålarna (UHECR), enligt en ny analys av observationer från NASA: s Compton Gamma-Ray-observatorium.
Forskare rapporterar i den 14 augusti-upplagan av Nature av ett nyligen identifierat mönster i ljuset från dessa gåtfulla skurar som kunde förklaras med protoner som rör sig inom en hårbredd av ljushastighet.
Dessa protoner, som granat från en explosion, kan vara UHECR. Sådana kosmiska strålar är sällsynta och utgör ett bestående mysterium i astrofysik, till synes trossa fysisk förklaring, för de är helt enkelt alldeles för energiska för att ha genererats av välkända mekanismer som supernovaxplosioner.
"Kosmiska strålar" glömmer "var de kommer ifrån, till skillnad från ljus, de piskas runt i rymden av magnetfält," sa huvudförfattaren Maria Magdalena Gonzalez från Los Alamos National Laboratory i New Mexico och doktorand vid University of Wisconsin. "Detta resultat är en spännande chans att möjligen se bevis på att de produceras vid deras källa."
Gamma-ray bursts - ett mysterium forskare börjar äntligen ta upp - kan skina lika glänsande som en miljon biljoner solar, och många kan komma från en ovanligt kraftfull typ av exploderande stjärna. Skurarna är vanliga men ändå slumpmässiga och flyktiga, varar bara sekunder.
Kosmiska strålar är atompartiklar (till exempel elektroner, protoner eller neutriner) som rör sig nära ljushastigheten. Kosmiska strålar med lägre energi bombarderar jorden ständigt, drivs av solstolar och typiska stjärnexplosioner. UHECR: er, med varje atompartikel som bär energin från en baseboll som kastas i Major Leagues, är hundra miljoner gånger mer energisk än de partiklar som produceras i de största mänskliga tillverkade partikelacceleratorerna.
Forskare säger att UHECR måste genereras relativt nära jorden, för varje partikel som reser längre än 100 miljoner ljusår skulle förlora en del av sin energi när den nådde oss. Ändå verkar ingen lokal källa av vanliga kosmiska strålar tillräckligt kraftfulla för att generera en UHECR.
Det Gonzalez-ledda papperet fokuserar inte specifikt på UHECR-produktion utan snarare ett nytt ljusmönster som ses i en gammastrålning. Grävde djupt in i Compton Observatory-arkiven (uppdraget avslutades 2000) konstaterade gruppen att en gammastråle brast från 1994, med namnet GRB941017, verkar annorlunda än de andra 2.700-några skurar som registrerats av detta rymdskepp. Denna brast låg i riktning mot konstellationen Sagitta, pilen, troligen tio miljarder ljusår bort.
Vad forskare kallar gammastrålar är fotoner (ljuspartiklar) som täcker ett brett spektrum av energier, faktiskt över en miljon gånger bredare än de energier som våra ögon registrerar som färger i en regnbåge. Gonzalezs grupp tittade på hög-energi gamma-ray fotoner. Forskarna fann att dessa typer av fotoner dominerade bristen: De var minst tre gånger mer kraftfulla i genomsnitt än den lägre energikomponenten ännu, överraskande, tusentals gånger kraftigare efter cirka 100 sekunder.
Det vill säga, medan flödet av fotoner med låg energi som träffar satellitsdetektorer började lättas, förblev flödet av fotoner med högre energi stadigt. Fyndet överensstämmer med den populära ”synkrotronchockmodellen” som beskriver de flesta skurar. Så vad kan förklara denna berikning av fotoner med högre energi?
"En förklaring är att kosmiska strålar med ultrahög energi är ansvariga, men exakt hur de skapar gammastrålarna med energimönstret vi såg behöver mycket beräkning," säger Dr Brenda Dingus från LANL, en medförfattare på papperet. "Vi kommer att hålla några teoretiker upptagna med att försöka ta reda på detta."
En försenad injektion av ultrahögenergi-elektroner ger ett annat sätt att förklara det oväntat stora högenergi-gammastrålningsflödet som observerats i GRB 941017. Men denna förklaring skulle kräva en revidering av standardbrastmodellen, sa medförfattaren Dr. Charles Dermer, en teoretisk astrofysiker vid US Naval Research Laboratory i Washington. "I båda fallen avslöjar detta resultat en ny process som inträffar i gammastrålningsutbrott," sade han.
Gamma-ray bursts har inte detekterats med ursprung inom 100 miljoner ljusår från Jorden, men genom eonerna kan dessa typer av explosioner ha inträffat lokalt. Om så är fallet, sade Dingus, kan mekanismen som hennes grupp såg i GRB 941017 ha dupliceras nära hemmet, tillräckligt nära för att leverera de UHECR som vi ser idag.
Andra skurar i Compton Observatory-arkivet kan ha uppvisat ett liknande mönster, men uppgifterna är inte avgörande. NASA: s Gamma-ray Large Area Telescope (GLAST), planerad att lanseras 2006, kommer att ha detektorer som är tillräckligt kraftfulla för att lösa högre-energi gamma-ray-fotoner och lösa detta mysterium.
Medförfattare till rapporten Nature inkluderar även doktorsexamen. doktorand Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece och Dr. Michael Briggs vid University of Alabama i Huntsville. Denna forskning finansierades av NASA och Office of Naval Research.
UHECR: er observeras när de kraschar i vår atmosfär, vilket illustreras i figuren. Energin från kollisionen producerar en luftdusch av miljarder subatomära partiklar och blixtar av ultraviolett ljus, som upptäcks av specialinstrument.
National Science Foundation och internationella samarbetspartners har sponsrat instrument på marken, som High Resolution Fly's Eye i Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) och Auger Observatory i Argentina (http: / /www.auger.org/). Dessutom samarbetar NASA med European Space Agency för att placera Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) på den internationella rymdstationen. Det föreslagna OWL-uppdraget skulle från bana se nedåt mot luftduschar och se på en så stor region som Texas.
Dessa forskare registrerar blixtar och tar en folkräkning av den subatomära skrapan och arbetar bakåt för att beräkna hur mycket energi en enda partikel behöver för att göra den atmosfäriska kaskaden. De når en chockerande siffra på 10 ^ 20 elektronvolt (eV) eller mer. (Som jämförelse är energin i en partikel med gult ljus 2 eV, och elektronerna i ditt TV-rör är i tusentals elektronvolts energiområde.)
Dessa ultrahögenergiska partiklar upplever de bisarra effekterna som förutspås av Einsteins teori om speciell relativitet. Om vi kunde se dem komma från ett avlägset hörn av kosmos, säga hundra miljoner ljusår bort, måste vi vara tålamod - det kommer att ta hundra miljoner år att slutföra resan. Men om vi kunde resa med partiklarna, är resan över på mindre än en dag på grund av utdragningen av tid för snabbt rörliga föremål, mätt av en observatör.
De kosmiska strålarna med högsta energi kan inte ens nå oss om de produceras från avlägsna källor, eftersom de kolliderar och förlorar energi med de kosmiska mikrovågsfotonerna som finns kvar från big bang. Källor till dessa kosmiska strålar måste hittas relativt nära oss, på ett avstånd av flera hundra miljoner ljusår. Stjärnor som exploderar när gammastrålningsskurar hittas inom detta avstånd, så intensiva observationsinsatser pågår för att hitta gammastrålningsrester som kännetecknas av strålningshalor gjorda av de kosmiska strålarna.
Få typer av himmelsföremål har de extrema förhållanden som krävs för att spränga partiklar till UHECR-hastigheter. Om gamma-ray bursts producerar UHECR, gör de det förmodligen genom att påskynda partiklar i materialstrålar som matas ut från explosionen nära ljusets hastighet. Gamma-ray bursts har kraften att påskynda UHECRs, men gamma-ray bursts hittills har varit avlägsna, miljarder ljusår bort. Det betyder inte att de inte kan hända i närheten, inom UHECR: s avstånd.
En ledande utmanare för långlivade typer av gammastrålar som GRB941017 är supernova / kollapsarmodellen. Supernovaer händer när en stjärna många gånger mer massiv än solen tappar ut sitt bränsle, vilket får sin kärna att kollapsa under sin egen tyngd medan dess yttre lager blåses av i en enorm termonukleär explosion. Kollapsar är en speciell typ av supernova där kärnan är så massiv att den kollapsar i ett svart hål, ett föremål så tätt att ingenting, inte ens ljus, kan undkomma sin allvar inom det svarta hålets händelseshorisont. Observationer tyder emellertid på att svarta hål är slarviga ätare, som matar ut material som passerar nära, men inte passerar, deras händelsevisont.
I en kollaps bildar stjärnskärnan en skiva med material runt det nybildade svarta hålet, som vatten som virvlar runt ett avlopp. Det svarta hålet förbrukar det mesta av disken, men en del materia sprängs i strålar från det svarta hålets poler. Strålarna rivar genom den kollapsande stjärnan nära ljusets hastighet och slår sedan igenom gas som omger den dömda stjärnan. När strålarna kraschar i det interstellära mediet skapar de chockvågor och saknar ner. Inre stötar bildas också i strålarna när deras framkant är långsam och slängs bakifrån av en ström av höghastighetsmaterial. Chockerna påskyndar partiklar som alstrar gammastrålar; de kan också påskynda partiklar till UHECR-hastigheter, enligt teamet.
"Det är som att studsa en pingpongboll mellan en paddel och ett bord," sade Dingus. ”När du flyttar paddlen närmare bordet, studsar bollen snabbare och snabbare. I en gammastrålexplast sprutas skoveln och bordet i strålen. Turbulenta magnetfält tvingar partiklarna att ricochettera mellan skalen och påskynda dem till nästan ljusets hastighet innan de bryter ut som UHECR. ”
Upptäckt av neutrino från gammastrålning skulle skada fallet för kosmisk strålacceleration genom gammastrålar. Neutrino är svårfångade partiklar som tillverkas när protoner med hög energi kolliderar med fotoner. Neutrino har ingen elektrisk laddning, så pekar fortfarande tillbaka till deras källriktning.
National Science Foundation bygger för närvarande IceCube (http://icecube.wisc.edu/), en kubikkilometer detektor som ligger i isen under Sydpolen, för att söka efter neutrinoutsläpp från gammastrålar. Egenskaperna hos naturens partikelacceleratorer med hög energi är fortfarande ett bestående mysterium, även om acceleration av de exploderande stjärnorna som gör gammastrålar har varit till fördel sedan Mario Vietri (Universita di Roma) och Eli Waxman (Weizmann Institute) föreslog det 1995.
Teamet tror att även om andra förklaringar är möjliga för denna observation, är resultatet överensstämmer med UHECR-accelerationen i gammastrålning. De såg både lågenergi och högenergi gammastrålar i explosionen av GRB941017. Gamma-strålarna med låg energi är vad forskare förväntar sig av höghastighetselektroner som avböjs av intensiva magnetfält, medan högenergistrålarna är vad som förväntas om några av UHECR: er som produceras i bristen kraschar i andra fotoner och skapar en dusch av partiklar , av vilka några blinkar för att producera högenergiska gammastrålar när de förfaller.
Tidpunkten för gammastrålning är också betydande. Gamma-strålarna med låg energi bleknade relativt snabbt, medan gammastrålarna med hög energi hängde på. Detta är vettigt om två olika klasser av partiklar - elektroner och UHECR: s protoner - är ansvariga för de olika gammastrålarna. ”Det är mycket lättare för elektroner än protoner att stråla ut sin energi. Därför skulle utsläppet av lågenergi-gammastrålar från elektroner vara kortare än de högenergiska gammastrålarna från protonerna, ”sade Dingus.
Compton Gamma Ray Observatory var den andra av NASAs stora observatorier och gammastrålningen motsvarande Hubble Space Telescope och Chandra X-ray Observatory. Compton lanserades ombord på rymdfärjan Atlantis i april 1991, och var 17 ton den största astrofysiska nyttolasten som någonsin flyts på den tiden. I slutet av sitt banbrytande uppdrag avbröts Compton och återupptogs jordens atmosfär den 4 juni 2000.
Originalkälla: NASA News Release
