Astronomen geschokt door mysterieuze kosmische straling met ultrahoge energie – “Wat is er aan de hand?”

Astrofysici van de Universiteit van Utah en de telescooparray hebben kosmische straling gedetecteerd met energieën die de theoretische grenzen overschrijden, wat het huidige begrip van de deeltjesfysica op de proef stelt. Deze ontdekkingen, waaronder de Oh-My-God- en Amaterasu-deeltjes, wijzen op onbekende kosmische verschijnselen en vormen de focus van lopend onderzoek.

Naast het Oh-My-God-deeltje verdiept het nieuw genoemde Amaterasu-deeltje het mysterie van de oorsprong, voortplanting en deeltjesfysica van zeldzame, ultrahoge energie kosmische straling.

In 1991 detecteerde het oogexperiment van de Universiteit van Utah de kosmische straling met de hoogste energie ooit waargenomen. De energie van de kosmische straling, later het oh-mijn-god-deeltje genoemd, schokte astrofysici. Niets in ons sterrenstelsel heeft de energie om dit te produceren, en het deeltje had meer energie dan theoretisch mogelijk is voor kosmische straling die vanuit andere sterrenstelsels naar de aarde reist. Simpel gezegd: er mogen geen deeltje zijn.

Mysteries van de astronomie

De telescooparray heeft meer dan 30 kosmische straling met ultrahoge energie waargenomen, hoewel geen enkele de energieën op oh-mijn-god-niveau heeft benaderd. Er zijn nog geen waarnemingen die hun oorsprong hebben onthuld of hoe ze naar de aarde kunnen reizen.

Artistieke weergave van een zeer energetische kosmische straal waargenomen door de Surface Detection Array van het Telescope Array Experiment, genaamd het ‘Amaterasu-deeltje’. Krediet: Osaka Metropolitan University/L-Inside, Kyoto Universiteit/Ryunosuke Takeshige

Op 27 mei 2021 detecteerde het Telescope Array-experiment de op één na hoogste kosmische straling. 2,4 x 10 inch²⁰eV, de energie van dit enkele subatomaire deeltje is gelijk aan het laten vallen van een steen op je teen vanaf heuphoogte. Onder leiding van de Universiteit van Utah (U) en de Universiteit van Tokio bestaat de telescooparray uit 507 oppervlaktedetectiestations die een vierkant raster van 700 km2 bestrijken.² (~270 mijl²Utah in de woestijn ten westen van de staat, buiten de Delta. De gebeurtenis activeerde 23 detectoren in het noordwestelijke deel van de telescooparray, 48 km verderop.² (30 km²) waarvan de aankomstrichting afkomstig is van de lokale leegte, het lege gebied aan de grens van de ruimte Melkweg Heelal.

“De deeltjes zijn zo energiek dat ze niet zouden moeten worden beïnvloed door galactische en extrastellaire magnetische velden. Je kunt precies vaststellen waar ze vandaan komen in de lucht”, zegt John Matthews, mede-woordvoerder van de Amerikaanse telescopen en co-auteur van de studie. “Maar het oh-mijn-god-deeltje en dit nieuwe. In het geval van het deeltje traceer je zijn pad terug naar zijn bron, en er is geen energie die hoog genoeg is om het te creëren. Dat is het mysterie: wat is er aan de hand?”

Amaterasu-deeltje

In hun observatie gepubliceerd in het tijdschrift op 24 november 2023 Wetenschapbeschreef een internationale samenwerking van onderzoekers de ultrahoge energie kosmische straling, evalueerde de kenmerken ervan en concludeerde dat het een zeldzaam fenomeen is dat volgt op de deeltjesfysica die onbekend is in de wetenschap. De onderzoekers noemden het het Amaterasu-deeltje, naar de zonnegodin uit de Japanse mythologie. De Oh-My-God- en Amaterasu-deeltjes werden gedetecteerd met behulp van verschillende observatietechnieken, wat bevestigt dat deze gebeurtenissen met ultrahoge energie, hoewel zeldzaam, reëel zijn.

Illustratie van een astronoom van een kosmische straal met ultrahoge energie om meer energetische verschijnselen op te helderen, in tegenstelling tot een zwakkere kosmische straal die wordt getroffen door elektromagnetische velden. Krediet: Osaka Metropolitan University/Kyoto Universiteit/Ryunosuke Takeshige

“Deze gebeurtenissen lijken van totaal verschillende plaatsen in de lucht te komen. Het is niet zo dat er een mysterieuze bron is”, zegt John Bells, professor aan de Universiteit van Amerika en co-auteur van het onderzoek. “Het kunnen fouten zijn in de structuur van de lucht. ruimtetijd, botsende kosmische snaren.” Ik bedoel, ik spuug de gekke ideeën uit waar mensen mee komen, omdat er geen conventionele verklaring voor is.

De deeltjesversnellers van de natuur

Kosmische straling is de echo van gewelddadige gebeurtenissen in de hemel, die de materie tot haar subatomaire structuren uitkleedt en met bijna de snelheid van het licht door het heelal schiet. In wezen zijn kosmische straling geladen deeltjes met een breed scala aan energieën, bestaande uit positieve protonen, negatieve elektronen of hele kernen, die door de ruimte reizen en voortdurend op aarde neerregenen.

Kosmische straling treft de bovenste atmosfeer van de aarde en verscheurt de kernen van zuurstof- en stikstofgas, waardoor veel secundaire deeltjes ontstaan. Deze reizen een eind de atmosfeer in en herhalen het proces, waardoor een regen van miljarden secundaire deeltjes ontstaat die zich over het oppervlak verspreiden. De voetafdruk van deze secundaire douche is enorm en vereist dat detectoren een gebied zo groot als een telescoopreeks bestrijken. Oppervlaktedetectoren gebruiken een reeks instrumenten die onderzoekers informatie verschaffen over elke kosmische straal; De timing van het signaal toont zijn pad en de hoeveelheid geladen deeltjes die elke detector raken onthult de energie van het primaire deeltje.

Omdat de deeltjes elektrisch geladen zijn, lijkt hun vliegbaan op een bal in een flipperkast terwijl ze zigzaggen tegen de elektromagnetische velden in de kosmische microgolfachtergrond. Het is bijna onmogelijk om het pad te volgen van de meeste kosmische straling, die zich aan de lage tot middenkant van het energiespectrum bevindt. Zelfs hoogenergetische kosmische straling wordt vervormd door de microgolfachtergrond. Deeltjes met Oh-My-God- en Amaterasu-energie zijn relatief ongebogen in de intergalactische ruimte. Alleen de krachtigste hemelse verschijnselen kunnen ze voortbrengen.

“Dingen waarvan mensen denken dat ze energetisch zijn, zoals een supernova, zijn hiervoor niet energetisch genoeg. Je hebt veel energie nodig, heel veel magnetische velden, om het deeltje te controleren terwijl het versnelt”, zei Matthews.

Het mysterie van kosmische straling met ultrahoge energie

Kosmische straling met ultrahoge energie moet groter zijn dan 5 x 10¹⁹ E.V. Dit betekent dat een subatomair deeltje dezelfde kinetische energie heeft als de fastball van een Major League-werper en miljoenen keren meer energie dan welke door de mens gemaakte deeltjesversneller dan ook kan bereiken. Astrofysici hebben deze theoretische limiet berekend, bekend als de Griesen-Satzepin-Kuzmin (GZK)-snede, omdat dit de maximale energie is waarmee een proton de langste afstand kan afleggen voordat de interacties van de microgolfachtergrondstraling hun energie verkrijgen. Bekende bronkandidaten, zoals actieve galactische kernen of zwarte gaten met accretieschijven die deeltjesstralen uitzenden, bevinden zich op een afstand van 160 miljoen lichtjaar van de aarde. Het nieuwe deeltje is 2,4 x 10²⁰ eV en 3,2 x 10 O-mijn-god-deeltje²⁰ eV overschrijdt gemakkelijk de grenswaarde.

Onderzoekers onderzoeken de samenstelling van kosmische straling op aanwijzingen voor de oorsprong ervan. Een zwaarder deeltje, zoals ijzerkernen, is zwaarder, meer geladen en beter in staat om te buigen in een magnetisch veld dan lichtere deeltjes gemaakt van protonen uit waterstof. Atoom. Het nieuwe deeltje kan een proton zijn. De microgolfachtergrond is een kosmische straal met energieën die verder gaan dan de GZK-grens van de deeltjesfysica en is krachtig genoeg om zijn pad te vervormen, maar zijn pad wijst terug naar de lege ruimte.

“Misschien zijn de magnetische velden sterker dan we dachten, maar dit komt niet overeen met andere waarnemingen die aantonen dat ze niet sterk genoeg zijn om significante buiging te veroorzaken bij deze energieën van tien tot twintigste elektronvolt”, aldus Bells. “Het is een echt mysterie.”

Onderzoek en breid de telescooparray uit

De Telescopische array Het is uniek gepositioneerd om kosmische straling met ultrahoge energie te detecteren. Het bevindt zich op ongeveer 1200 m (4000 ft), de hoogte waar secundaire deeltjes maximale groei mogelijk maken, maar voordat ze beginnen te vervallen. De ligging in de westelijke woestijn van Utah biedt op twee manieren ideale atmosferische omstandigheden: droge lucht is belangrijk omdat vocht het ultraviolette licht absorbeert dat nodig is voor detectie; En de donkere hemel in de regio is nodig omdat lichtvervuiling te veel lawaai veroorzaakt en kosmische straling verduistert.

Astrofysici zijn nog steeds verbaasd over de mysterieuze verschijnselen. De telescooparray bevindt zich midden in een uitbreiding waarvan ze hopen dat deze de zaak zal helpen oplossen. Wanneer ze voltooid zijn, zullen 500 nieuwe scintillatordetectoren de telescooparray uitbreiden en door kosmische straling geïnduceerde deeltjesregens meten tot 2.900 km.² (1.100 mijl² ), bijna zo groot als Rhode Island. Een grotere voetafdruk legt meer gebeurtenissen vast die licht werpen op wat er aan de hand is.

Meer informatie over deze ontdekking:

Referentie: “Meest energetische kosmische straling waargenomen door oppervlaktedetectiearray” 23 november 2023, Wetenschap.
DOI: 10.1126/science.abo5095