Billedkredit: NASA
Astronomer mener, at gammastråler, de mest kraftfulde eksplosioner i universet, muligvis genererer kosmiske stråler med ultrahøj energi, de mest energiske partikler i universet. Bevis indsamlet af NASAs de-orbited Compton Gamma-Ray Observatory viste, at i et tilfælde af en gammastråle brast, dominerede disse højenergipartikler området og gav en forbindelse mellem dem, men dette er næppe nok bevis for at sige, at de er endeligt forbundet .
De mest kraftfulde eksplosioner i universet, gammastråler, kan muligvis generere de mest energiske partikler i universet, kendt som de ultrahøjenergiske kosmiske stråler (UHECRs), ifølge en ny analyse af observationer fra NASAs Compton Gamma-Ray-observatorium.
Forskere rapporterer i den 14. august-udgave af Nature om et nyligt identificeret mønster i lyset fra disse gådefulde bursts, der kunne forklares med protoner, der bevæger sig inden for en hårs bredde af lyshastighed.
Disse protoner, ligesom splint fra en eksplosion, kunne være UHECR'er. Sådanne kosmiske stråler er sjældne og udgør et vedvarende mysterium i astrofysik, tilsyneladende trodser fysisk forklaring, for de er simpelthen alt for energiske til at være genereret ved kendte mekanismer såsom supernovaeksplosioner.
"Kosmiske stråler 'glemmer', hvor de kommer fra, fordi de i modsætning til lys piskes rundt i rummet af magnetfelter," sagde hovedforfatter Maria Magdalena Gonzalez fra Los Alamos National Laboratory i New Mexico og kandidatstuderende ved University of Wisconsin. ”Dette resultat er en spændende chance for muligvis at se bevis for, at de produceres ved deres kilde.”
Gamma-ray bursts - et mysterium videnskabsmænd er begyndt at afsløre - kan skinne så strålende som en million billioner solskin, og mange kan være fra en usædvanligt kraftig type eksploderende stjerne. Udbruddene er almindelige, men alligevel tilfældige og flygtige og varer kun sekunder.
Kosmiske stråler er atompartikler (for eksempel elektroner, protoner eller neutrinoer), der bevæger sig tæt på lyshastigheden. Kosmiske stråler med lavere energi bombarderer jorden konstant, fremdrevet af solbrændere og typiske stjerneeksplosioner. UHECR'er, med hver atompartikel, der bærer energien fra en baseball kastet i Major Leagues, er hundrede millioner gange mere energiske end partiklerne produceret i de største menneskeskabte partikelacceleratorer.
Forskere siger, at UHECR'erne skal genereres relativt tæt på Jorden, for enhver partikel, der rejser længere end 100 millioner lysår, vil miste noget af sin energi på det tidspunkt, den nåede os. Alligevel virker ingen lokal kilde til almindelige kosmiske stråler kraftfuld nok til at generere en UHECR.
Det Gonzalez-ledede papir fokuserer ikke specifikt på UHECR-produktion, men snarere et nyt lysmønster set i en gammastråle-burst. Ved at grave dybt ned i Compton Observatory-arkiverne (missionen sluttede i 2000) fandt gruppen, at en gammastråle fra 1994, kaldet GRB941017, forekommer forskellig fra de andre 2.700-nogle bursts, der er registreret af dette rumfartøj. Dette burst var placeret i retning af stjernebilledet Sagitta, pilen, sandsynligvis ti milliarder lysår væk.
Hvad forskere kalder gammastråler er fotoner (lyspartikler), der dækker en lang række energier, faktisk mere end en million gange bredere end de energier, vores øjne registrerer som farverne i en regnbue. Gonzalez 'gruppe kiggede på gamma-ray-fotoner med højere energi. Forskerne fandt, at disse typer fotoner dominerede brasten: De var mindst tre gange mere kraftfulde i gennemsnit end den lavere energikomponent endnu, overraskende tusinder af gange mere kraftfuld efter ca. 100 sekunder.
Det er, mens strømmen af fotoner med lavere energi, der rammer satellitens detektorer begyndte at lette, forblev strømmen af fotoner med højere energi konstant. Fundet er uforeneligt med den populære ”synchrotron shock model”, der beskriver de fleste bursts. Så hvad kunne forklare denne berigelse af fotoner med højere energi?
”En forklaring er, at kosmiske stråler med ultrahøj energi er ansvarlige, men nøjagtigt hvordan de skaber gamma-stråler med de energimønstre, vi så, har brug for en masse beregning,” sagde Dr. Brenda Dingus fra LANL, en medforfatter på papiret. ”Vi holder nogle teoretikere travlt med at finde ud af det.”
En forsinket injektion af ultrahøjenergi-elektroner giver en anden måde at forklare den uventet store høj-energi gamma-stråling, der er observeret i GRB 941017. Men denne forklaring ville kræve en revision af standard burst-modellen, sagde medforfatter Dr. Charles Dermer, en teoretisk astrofysiker ved US Naval Research Laboratory i Washington. ”I begge tilfælde afslører dette resultat en ny proces, der forekommer i gammastråle-bursts,” sagde han.
Gamma-ray bursts er ikke blevet påvist stammende inden for 100 millioner lysår fra Jorden, men gennem eonerne kan disse typer eksplosioner have fundet sted lokalt. I bekræftende fald, sagde Dingus, kunne den mekanisme, hendes gruppe så i GRB 941017, være blevet dupliseret tæt på hjemmet, tæt nok til at levere de UHECR'er, vi ser i dag.
Andre bursts i Compton Observatory-arkivet kan have udstillet et lignende mønster, men dataene er ikke afgørende. NASAs Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), der er planlagt til lancering i 2006, vil have detektorer, der er kraftige nok til at løse gamma-ray-fotoner med højere energi og løse dette mysterium.
Medforfattere til rapporten Nature inkluderer også ph.d. kandidatstuderende Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece og Dr. Michael Briggs fra University of Alabama i Huntsville. Denne forskning blev finansieret af NASA og Office of Naval Research.
UHECR'er observeres, når de styrter ned i vores atmosfære, som illustreret i figuren. Energien fra kollisionen producerer et luftbrusebad med milliarder af subatomære partikler og blinker af ultraviolet lys, som detekteres af specielle instrumenter.
National Science Foundation og internationale samarbejdspartnere har sponsoreret instrumenter på jorden, såsom High Resolution Fly's Eye i Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) og Auger Observatory i Argentina (http: / /www.auger.org/). Derudover arbejder NASA sammen med Det Europæiske Rumorganisation for at placere Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) på den internationale rumstation. Den foreslåede OWL-mission ville fra bane se nedad mod luftbrusere og se på en så stor region som Texas.
Disse forskere registrerer blinkene og tager en folketælling af den subatomære splint og arbejder bagud for at beregne, hvor meget energi en enkelt partikel har brug for for at fremstille den atmosfæriske kaskade. De ankommer til et chokerende tal på 10 ^ 20 elektron volt (eV) eller mere. (Til sammenligning er energien i en partikel med gult lys 2 eV, og elektronerne i dit tv-rør ligger i det tusinde elektron-volt energiområde.)
Disse ultrahøj-energi partikler oplever de bizarre effekter, der er forudsagt af Einsteins teori om særlig relativitet. Hvis vi kunne se dem komme fra et fjernt hjørne af kosmos, siger hundrede millioner lysår væk, ville vi være tålmodige - det vil tage hundrede millioner år at afslutte rejsen. Men hvis vi kunne rejse med partiklerne, er turen forbi på mindre end en dag på grund af udvidelsen af tid for hurtigt bevægende objekter som målt af en observatør.
De kosmiske stråler med højeste energi kan ikke engang nå os, hvis de er produceret fra fjerne kilder, fordi de kolliderer og mister energi med de kosmiske mikrobølgefotoner, der er tilbage fra big bang. Kilder til disse kosmiske stråler skal findes relativt tæt på os i en afstand af flere hundrede millioner lysår. Stjerner, der eksploderer som gamma-ray bursts, findes inden for denne afstand, så der er intensiv observationsindsats for at finde gamma-ray burst-rester, der er kendetegnet ved strålingshaloer foretaget af de kosmiske stråler.
Få slags himmelobjekter har de ekstreme forhold, der kræves for at sprænge partikler til UHECR-hastigheder. Hvis gamma-ray bursts producerer UHECRs, gør de det sandsynligvis ved at accelerere partikler i stråler af materiale, der udsættes fra eksplosionen tæt på lysets hastighed. Gamma-ray bursts har magten til at accelerere UHECRs, men gamma-ray bursts, der er observeret indtil videre, har været fjernt, milliarder af lysår væk. Dette betyder ikke, at de ikke kan ske i nærheden inden for UHECR-afskæringsafstanden.
Supernova / Collapsar-modellen er en førende konkurrent til langvarige slags gamma-ray bursts som GRB941017. Supernovae sker, når en stjerne mange gange mere massiv end Solen udtømmer sit brændstof, hvilket får sin kerne til at kollapse under sin egen tyngdekraft, mens dens ydre lag sprænges af i en enorm termonuklear eksplosion. Kollaps er en speciel type supernova, hvor kernen er så massiv, at den kollapser i et sort hul, et objekt så tæt, at intet, ikke engang lys, kan undslippe dens tyngdekraft inden for det sorte huls begivenhedshorisont. Iagttagelser tyder imidlertid på, at sorte huller er slurvede spiser, der udsætter materiale, der passerer nær, men ikke krydser, deres begivenhedshorisonter.
I en kollaps danner stjernens kerne en disk med materiale omkring det nydannede sorte hul, som vand, der hvirvler rundt om et dræn. Det sorte hul forbruger det meste af disken, men nogle sager sprænges i jetfly fra polerne i det sorte hul. Strålerne rives gennem den sammenbrudte stjerne tæt på lysets hastighed og slår derefter gennem gas, der omgiver den dødsdømte stjerne. Når jetflyene styrter ned i det interstellære medium, skaber de chokbølger og bremser. Indvendige stød dannes også i jetflyene, når deres forreste kanter langsomt og smækkes bagfra af en strøm af højhastighedsstof. Stødene accelererer partikler, der genererer gammastråler; de kunne også fremskynde partikler til UHECR-hastigheder, ifølge teamet.
”Det er som at springe en ping pong-kugle mellem en padle og et bord,” sagde Dingus. ”Når du bevæger padlen tættere på bordet, hopper bolden hurtigere og hurtigere. I en gammastråle-burst sprøjtes padlen og bordet skaller i strålen. Turbulente magnetiske felter tvinger partiklerne til at ricochette mellem skaller og accelerere dem til næsten lysets hastighed, før de bryder fri som UHECR'er. ”
Påvisning af neutrinoer fra gammastråle-bursts vil gøre det muligt for kosmisk stråle-acceleration ved gammastråle-bursts. Neutrinoer er undvikende partikler, der fremstilles, når protoner med høj energi kolliderer med fotoner. Neutrino har ingen elektrisk ladning, så peg stadig tilbage til retningen af deres kilde.
National Science Foundation bygger i øjeblikket IceCube (http://icecube.wisc.edu/), en kubisk kilometer detektor beliggende i isen under Sydpolen for at søge efter neutrino-emission fra gammastråler. Egenskaberne ved naturens partikelacceleratorer med højeste energi er stadig et vedvarende mysterium, skønt acceleration med de eksploderende stjerner, der får gammastråler, har været til fordel lige siden Mario Vietri (Universita di Roma) og Eli Waxman (Weizmann Institute) foreslog det i 1995.
Holdet mener, at selvom andre forklaringer er mulige for denne observation, er resultatet i overensstemmelse med UHECR-acceleration i gammastråler. De så både lavenergi og højenergi-gammastråler i eksplosionen af GRB941017. Gamma-strålene med lav energi er, hvad forskere forventer af, at højhastighedselektroner bliver afbøjet af intense magnetfelter, mens højenergistrålerne er, hvad der forventes, hvis nogle af UHECR'erne, der produceres i brasten, går ned i andre fotoner og skaber et brus af partikler , hvoraf nogle blinker for at producere høj-energi gamma-stråler, når de forfalder.
Tidspunktet for gammastråleemissionen er også betydelig. Gamma-strålene med lav energi forsvandt relativt hurtigt, mens gamma-strålene med høj energi dvød. Dette giver mening, hvis to forskellige klasser af partikler - elektroner og UHECR-protoner - er ansvarlige for de forskellige gammastråler. ”Det er meget lettere for elektroner end protoner at udstråle deres energi. Derfor vil emissionen af lavenergi-gammastråler fra elektroner være kortere end høj-energi-gammastrålene fra protonerne, ”sagde Dingus.
Compton Gamma Ray Observatory var den anden af NASAs store observatorier og gamma-ray svarende til Hubble-rumteleskopet og Chandra X-ray Observatory. Compton blev lanceret ombord på rumfærgen Atlantis i april 1991 og var på 17 tons den største astrofysiske nyttelast nogensinde fløjet på det tidspunkt. Ved afslutningen af sin banebrydende mission blev Compton deorbiteret og genindtrådt i Jordens atmosfære den 4. juni 2000.
Original kilde: NASA News Release
