Lågfrekvent radiohimmel vid tidpunkten för en kosmisk strålehit. Bildkredit: MPIFR. Klicka för att förstora.
Med hjälp av LOPES-experimentet, en prototyp av det nya högteknologiska radioteleskopet LOFAR för att upptäcka kosmiska strålpartiklar med ultrahög energi, har en grupp astrofysiker i samarbete med Max-Planck-Gesellschaft och Helmholtz-Gemeinschaft registrerat det ljusaste och snabbaste radioblaster någonsin sett på himlen. Sprängningarna, vars upptäckt rapporteras i veckans nummer av tidskriften Nature, är dramatiska blixtar av radioljus som verkar mer än 1000 gånger ljusare än solen och nästan en miljon gånger snabbare än normalt blixt. På ett mycket kort ögonblick blir dessa blixtar - som hittills i stort sett obemärkt - det ljusaste på himlen med en diameter som är dubbelt så stor som månens storlek.
Experimentet visade att radioblixten produceras i jordatmosfären, orsakad av påverkan av de mest energiska partiklarna som produceras i kosmos. Dessa partiklar kallas kosmiska strålar med ultrahög energi och deras ursprung är ett pågående pussel. Astrofysikerna hoppas nu att deras upptäckt kommer att kasta nytt ljus på mysterierna med dessa partiklar.
Forskarna använde en rad radioantenner och den stora mängden partikeldetektorer från KASCADE-Grande-experimentet i Forschungszentrum Karlsruhe. De visade att när en mycket energisk kosmisk partikel träffade jordatmosfären registrerades en motsvarande radiopuls från riktningen för den inkommande partikeln. Med hjälp av bildtekniker från radioastronomi producerade gruppen till och med digitala filmsekvenser av dessa händelser, vilket gav de snabbaste filmer som någonsin producerats inom radioastronomi. Partikeldetektorerna gav dem grundläggande information om de inkommande kosmiska strålarna.
Forskarna kunde visa att styrkan hos den utsända radiosignalen var ett direkt mått på den kosmiska strålenergin. ”Det är fantastiskt att vi med enkla FM-radioantenner kan mäta energin från partiklar som kommer från kosmos” säger professor Heino Falcke från Nederländerna Foundation for Research in Astronomy (ASTRON) som är talesman för LOPES-samarbetet. "Om vi hade känsliga radioögon skulle vi se himlen gnista med radioblinkar", tillägger han.
Forskarna använde par antenner som liknar dem som används i vanliga FM-radiomottagare. ”Huvudskillnaden till normala radioapparater är digital elektronik och bredbandsmottagare, som gör att vi kan lyssna på många frekvenser på en gång”, förklarar Dipl. Phys. Andreas Horneffer, doktorand vid University of Bonn och International Max-Planck Research School (IMPRS), som installerade antennerna som en del av sitt doktorandprojekt.
I princip är vissa av detekterade radioblinkar tillräckligt starka för att utplåna konventionell radio- eller TV-mottagning under en kort tid. För att demonstrera denna effekt har gruppen konverterat sin radiomottagning av en kosmisk strålhändelse till ett ljudspår (se nedan). Eftersom blixtarna endast varar i ungefär 20-30 nanosekunder och ljusa signaler händer bara en gång om dagen, skulle de knappast kunna kännas igen i vardagen.
Experimentet visade också att radioemissionen varierade i styrka i förhållande till jordmagnetiska fältets orientering. Detta och andra resultat bekräftade grundläggande förutsägelser som gjorts i teoretiska beräkningar tidigare av prof. Falcke och hans tidigare doktorand Tim Huege, samt genom beräkningar av prof. Peter Gorham från University of Hawaii.
Kosmiska strålpartiklar bombarderar ständigt jorden och orsakar små explosioner av elementära partiklar som bildar en stråle av materia och antimaterialpartiklar som rusar genom atmosfären. De lättaste laddade partiklarna, elektronerna och positronerna i denna stråle kommer att avböjas av jordens geomagnetiska fält som får dem att släppa ut radioutsläpp. Denna typ av strålning är välkänd från partikelacceleratorer på jorden och kallas synkrotronstrålning. I analogi talar astrofysikerna nu om "geosynkrotron" -strålning på grund av interaktionen med jordens magnetfält.
Radioblinkar upptäcktes av LOPES-antennerna som installerades vid KASCADE-Grande kosmiska strålluftsduschexperimentet i Forschungszentrum Karlsruhe, Tyskland. KASCADE-Grande är ett ledande experiment för mätning av kosmiska strålar. ”Detta visar styrkan med att ha ett stort astropartikelfysiksexperiment direkt i vårt grannskap - detta gav oss flexibiliteten att också utforska ovanliga idéer som den här”, säger Dr. Andreas Haungs, talesman för KASCADE-Grande.
Radioteleskopet LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) använder prototypantenner från världens största radioteleskop, LOFAR, som byggdes efter 2006 i Nederländerna och delar av Tyskland. LOFAR har en radikal ny design som kombinerar en mängd billiga lågfrekventa antenner som samlar radiosignaler från hela himlen på en gång. Ansluten av höghastighetsinternet har en superdator sedan möjligheten att upptäcka ovanliga signaler och göra bilder av intressanta regioner på himlen utan att flytta några mekaniska delar. ”LOPES uppnådde de första stora vetenskapliga resultaten från LOFAR-projektet redan i utvecklingsfasen. Detta gör oss övertygade om att LOFAR verkligen kommer att vara lika revolutionerande som vi hoppats att det skulle bli. ” förklarar prof. Harvey Butcher, chef för Nederländerna Foundation for Research in Astronomy (ASTRON) i Dwingeloo, Nederländerna, där LOFAR för närvarande utvecklas.
"Detta är verkligen en ovanlig kombination, där kärnfysiker och radioastronomer samarbetar för att skapa ett unikt och mycket originalt experiment med astropartiklar", säger Dr. Anton Zensus, direktör vid Max-Planck-Institut för Radioastronomie (MPIfR) i Bonn. ”Det banar vägen för nya detekteringsmekanismer inom partikelfysik såväl som att demonstrera de hisnande förmågorna i nästa generations teleskop som LOFAR och senare Square Kilometer Array (SKA). Plötsligt sammanförs stora internationella experiment inom olika forskningsområden ”
Som nästa steg vill astrofysikerna använda den kommande LOFAR-arrayen i Nederländerna och Tyskland för radioastronomi och kosmisk strålforskning. Test pågår för att integrera radioantenn i Pierre Auger Observatory för kosmiska strålar i Argentina och eventuellt senare i det andra Auger Observatory på norra halvklotet. ”Det här kan vara ett stort genombrott inom detekteringsteknologi. Vi hoppas kunna använda denna nya teknik för att upptäcka och förstå naturen hos de högsta energikosmiska strålarna och också för att upptäcka neutrinoer med höghög energi från kosmos, säger prof. Johannes Bl? Mer, Astroparticle Physics programchef för Helmholtz Association och på Forschungszentrum Karlsruhe.
Upptäckten har delvis bekräftats av en fransk grupp som använder det stora radioteleskopet från Parisobservatoriet vid Nanay. Historiskt sett gjordes arbetet med radioutsläpp från kosmiska strålar först i slutet av 1960-talet med de första påståenden om upptäckter. Ingen användbar information kunde dock extraheras med dagens teknik, och arbetet upphörde snabbt. De huvudsakliga bristerna var bristen på avbildningsmöjligheter (nu implementerad med mjukvara), den låga tidsupplösningen och bristen på en välkalibrerad partikeldetektoruppsättning. Allt detta har övervunnits med LOPES-experimentet.
Originalkälla: MPI News Release
