Gamma-ray bursts från avlägsna stjärnor, som visas i den här konstnärens illustration, är en möjlig källa till de ultrakraftiga "OMG-partiklarna" som ibland träffar forskares detektorer på jorden.
(Bild: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI Science Center. Sutter är också värd för "Ask a Spaceman" och "Space Radio" och leder AstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med denna artikel till Space.com: s expertröster: Op-Ed & Insights.
Just nu, när du läser den här texten, blir ditt DNA skivat upp av små, osynliga kulor. Skadeavdelarna är kända som kosmiska strålar, även om de absolut inte är strålar - men namnet stammar från en historisk missförstånd. Istället är de partiklar: elektroner och protoner, mestadels, men ibland tyngre saker som helium eller till och med järnkärnor.
Dessa kosmiska partiklar är problem, eftersom a) de är snabba, och har så mycket kinetisk energi att slänga runt och b) de är elektriskt laddade. Detta innebär att de kan jonisera våra dåliga DNA-nukleotider, riva dem isär och ibland leda till okontrollerbara replikationsfel (aka, cancer). ['Superstar' Eta Carinae agerar som en ginormous Cosmic-Ray Gun, Men varför?]
Som om detta inte var tillräckligt dåligt, en gång i taget, ungefär en gång per kvadratkilometer per år, kommer en partikel skrikande in i vår övre atmosfär med verkligt monströs hastighet, knackar på en olycklig kväve- eller syre-molekyl och kaskad i en dusch av lägre energi (men fortfarande dödligt, naturligtvis) sekundära partiklar.
Det finns bara ett lämpligt svar när man konfronteras med en partikel med en så ömtålig potential: "OMG."
Fastballs
"OMG" var smeknamnet som gick till det första exemplet på vad som nu kallas extremt högenergi kosmiska strålar, upptäckt 1991 av University of Utahs Fly's Eye kosmiska stråldetektor. Den enda protonen smällde in i vår atmosfär och gick ungefär 99.9999999999999999999999951 procent ljusets hastighet. Och nej, alla dessa nio är inte bara för dramatisk effekt för att få antalet att se imponerande ut - det var verkligen så snabbt. Denna partikel hade samma mängd kinetisk energi som en anständigt kastad baseboll ... komprimerad till ett föremål på storlek av en proton.
Det betyder att denna partikel hade mer än 10 miljoner gånger mer energi än vad vår starkaste partikelcollider, LHC, kan producera. På grund av relativistisk tidsutvidgning, med den hastigheten, kunde OMG-partikeln resa till vår närmaste grannstjärna, Proxima Centauri, på 0,43 millisekunder av partikelns egen tid. Det kan fortsätta till vår galaktiska kärna när du är klar med att läsa den här meningen (ur sitt eget perspektiv).
OMG, verkligen.
Sedan partiklarna upptäckte har vi fortsatt att titta på himlen för dessa extrema händelser med specialiserade teleskop och detektorer över hela världen. Sammantaget har vi spelat in cirka hundra av OMG-partiklarna under de senaste decennierna.
Dessa få dussin exempel belyser och fördjupar mysterierna om deras ursprung. Mer data är alltid bra, men vad pokker i vårt universum är tillräckligt kraftfulla för att ge en proton en tillräckligt bra spricka att den nästan - nästan - kan utmana ljuset självt till ett lopp?
Knuckleball
För att påskynda en laddad partikel till vansinniga hastigheter behöver du två viktiga ingredienser: mycket energi och ett magnetfält. Det magnetiska fältet gör arbetet med att överföra till partikeln oavsett energi i din händelse (säg, den explosiva kinetiska energin från en supernovasprängning eller den virvlande gravitationskraften när materien faller mot ett svart hål). Den detaljerade fysiken är naturligtvis otroligt komplicerad och inte särskilt väl förstått. Födelseplatserna för kosmiska strålar är fruktansvärt komplicerade och ligger i extrema regioner i vårt universum, så en fullständig fysisk bild kommer att bli svår att komma med.
Men vi kan fortfarande göra några utbildade gissningar om var extrema exempel som vår vän OMG-partikeln kommer från. Vår första gissning kan vara supernovor, de massiva stjärnornas dödsfall. Magnetiska fält? Kontrollera. Mycket energi? Kontrollera. Men inte tillräckligt med energi för att göra susen. Din trädgårdsvariant stellär detonation har bara inte tillräckligt med råa oomph för att smutsa ut partiklar med de hastigheter vi överväger.
Vad kommer härnäst? Aktiva galaktiska kärnor är starka utmanare. Dessa kärnor skapas när materien virvlar runt sin undergång runt ett supermassivt svart hål beläget i mitten av en galax; det materialet komprimerar och värms upp och bildar en ackretionsskiva i sina sista stunder. Denna vridande inferno genererar intensiva magnetfält från dynamohandlingar, och bildar den potenta blandningen av ingredienser som är nödvändiga för att lägga till några allvarliga hästkrafter till utkastade partiklar.
Förutom (och du visste att det skulle bli ett "undantag") är de aktiva galaktiska kärnorna för långt borta för att producera kosmiska strålar som når jorden. Med de löjliga hastigheterna hos en kosmisk stråle med mycket hög energi är att kryssa genom kosmos mer som att försöka plöja genom en snöstorm. Det beror på att på denna hastighet den kosmiska mikrovågsbakgrunden - översvämningen av foton med låg energi kvar från det mycket tidiga universum - verkar mycket blåskiftad mot högre energier. Så, det högintensiva ljuset smackar och byter vid den resande kosmiska strålen, bromsar och slutligen stoppar det.
Därför bör vi inte förvänta oss att de mest kraftfulla kosmiska strålarna reser längre än hundra miljoner ljusår eller så - och de flesta av de aktiva galaktiska kärnorna är mycket, mycket längre från oss än så.
Curveballs
En ganska lång tid var en viktig misstänkt för OMG-generationen Centaurus A, en relativt närliggande aktiv galaktisk kärna som ligger någonstans mellan 10 miljoner och 16 miljoner ljusår bort. Kraftfull, magnetisk och nära - den perfekta kombinationen. Men medan vissa undersökningar antydde att kosmiska strålar kan komma från dess allmänna riktning, har det aldrig funnits ett tillräckligt tydligt samband för att flytta den galaxen från misstänkt till dömd. [En djup titt på Strange Galaxy Centaurus A]
En del av problemet är att mjölkvägens eget magnetfält subtilt förändrar banan för inkommande kosmiska strålar och döljer deras ursprungliga riktningar. Så för att rekonstruera källan till en kosmisk stråle behöver du också modeller för styrkan och riktningarna för vår galaxs magnetfält - något vi inte exakt har ett fullt handtag på.
Om OMG-generatorn inte är Centaurus A i sig, är det kanske Seyfert-galaxerna, en viss galaktisk underklass av i allmänhet närmare, i allmänhet svagare (men ändå vansinnigt ljusa och starka) aktiva galaktiska kärnor. Men igen, med inte ens hundra prover att dra på, är det svårt att göra en rigorös statistisk bestämning.
Kanske är det gammastrålar, tänkt att komma från det speciella kataklysmiska slutet till några av de mest extrema stjärnorna. Men vår förståelse av fysiken i denna situation är (kan du tro det?) Ganska skissartad.
Kanske är det något mer exotiskt, som topologiska defekter från de tidigaste ögonblicken av Big Bang eller några funky interaktioner inom mörk materia. Kanske tar vi fysik fel och våra avståndsgränsberäkningar är inte korrekta. Kanske, kanske, kanske ...
Det verkliga ursprunget till dessa ultrahögenergiska "OMG" -partiklar är svåra att fastna, och trots nästan 30 års upptäcktshistoria har vi inte så många fasta svar. Det som är bra - det är bra att åtminstone ha några mysterier kvar i universum. Astrofysiker kan också använda viss jobbsäkerhet.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet i podcasten "Ask A Spaceman", tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till hchrissscottt för frågorna som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss @Spacedotcom, Facebook och Google+. Originalartikel på Space.com.
