Gamma-ray bursts fra fjerne stjerner, som vist i denne kunstners illustration, er en mulig kilde til de ultra-magtfulde "OMG-partikler", som lejlighedsvis rammer videnskabsdetektorer på Jorden.
(Billede: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og chefforsker ved COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for "Ask a Spaceman" og "Space Radio" og fører AstroTours rundt om i verden. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Lige nu, når du læser netop denne tekst, bliver dit DNA skåret op af små, usynlige kugler. Skadehandlerne er kendt som kosmiske stråler, selvom de absolut ikke er stråler - men navnet stammer fra en historisk misforståelse. I stedet er de partikler: elektroner og protoner, for det meste, men lejlighedsvis tungere ting som helium eller endda jernkerner.
Disse kosmiske partikler er problemer, fordi a) de er hurtige, og har derfor en masse kinetisk energi til at smide rundt og b) de er elektrisk ladet. Dette betyder, at de kan ionisere vores dårlige DNA-nukleotider, rive dem fra hinanden og lejlighedsvis føre til ukontrollerbare replikationsfejl (aka, kræft). ['Superstar' Eta Carinae fungerer som en ginormøs kosmisk strålepistol, men hvorfor?]
Som om dette ikke var dårligt nok, en gang imellem, omtrent en gang pr. Kvadratkilometer om året, kommer en partikel skrigende ind i vores øvre atmosfære med virkelig uhyggelig hastighed, banker mod et uheldigt nitrogen- eller iltmolekyle og skrider ned i et brusebad af lavere energi (men stadig dødbringende, selvfølgelig) sekundære partikler.
Der er kun et passende svar, når man konfronteres med en partikel med et sådant uhøfligt potentiale: "OMG."
Fastballs
"OMG" var kaldenavnet, der blev givet til det første eksempel på, hvad der nu er kendt som kosmiske stråler med meget høj energi, der blev opdaget i 1991 af University of Utah's Fly's Eye kosmiske stråldetektor. Den eneste proton smækkede ind i vores atmosfære og gik omtrent 99.9999999999999999999999951 procent lysets hastighed. Og nej, alle disse ni er ikke kun til dramatisk effekt for at få antallet til at se imponerende ud - det var virkelig så hurtigt. Denne partikel havde den samme mængde kinetisk energi som en anstændigt kastet baseball ... komprimeret ned i et objekt på størrelse med en proton.
Det betyder, at denne partikel havde over 10 millioner gange mere energi, end hvad vores mest kraftfulde partikelcollider, LHC, kan producere. På grund af relativistisk tidsudvidelse, med den hastighed, kunne OMG-partiklen rejse til vores nærmeste nabostjerne, Proxima Centauri, i 0,43 millisekunder af partiklens egen tid. Det kunne fortsætte til vores galaktiske kerne, når du er færdig med at læse denne sætning (fra sit eget perspektiv).
OMG, faktisk.
Siden denne partikles detektion, har vi fortsat med at se himlen til disse ekstreme begivenheder ved hjælp af specialiserede teleskoper og detektorer over hele verden. Alt i alt har vi registreret omkring hundrede af OMG-partiklerne i de sidste par årtier.
Disse få dusin eksempler belyder og uddyber mysterierne om deres oprindelse. Flere data er altid gode, men hvad pokker i vores univers er kraftfulde nok til at give en proton en god nok knæk til, at den næsten - næsten - kunne udfordre lyset til et løb?
Knuckleballs
For at accelerere en ladet partikel til vanvittige hastigheder har du brug for to nøgleingredienser: meget energi og et magnetfelt. Magnetfeltet udfører arbejdet med at overføre til partiklen uanset hvilke energier der er i din hændelse (sige, den eksplosive kinetiske energi fra en supernova-eksplosion eller den hvirvlende tyngdekraft, når materien falder mod et sort hul). Den detaljerede fysik er naturligvis utroligt kompliceret og ikke særlig godt forstået. Fødestedene for kosmiske stråler er frygteligt komplicerede og ligger i ekstreme regioner i vores univers, så et komplet fysisk billede vil være svært at komme med.
Men vi kan stadig komme med nogle uddannede gæt, hvor ekstreme eksempler som vores ven OMG-partiklen kommer fra. Vores første gæt kan være supernovas, de store stjerners titaniske dødsfald. Magnetiske felter? Kontrollere. En masse energi? Kontrollere. Men ikke helt nok energi til at gøre det. Din detonation med stellar i haven har bare ikke nok rå oom til at spytte partikler ud med de hastigheder, vi overvejer.
Hvad er det næste? Aktive galaktiske kerner er stærke udfordrere. Disse kerner er skabt, når materie virvler sig til dets undergang omkring et supermassivt sort hul beliggende i midten af en galakse; dette materiale komprimeres og opvarmes og danner en akkretionsskive i dets sidste øjeblik. Denne snoede inferno genererer intense magnetfelter fra dynamo-handlinger, og danner den potente blanding af ingredienser, der er nødvendige for at tilføje nogle alvorlige hestekræfter til udsatte partikler.
Bortset fra (og du vidste, at der ville være et "undtagen"), er de aktive galaktiske kerner for langt væk til at producere kosmiske stråler, der når Jorden. Ved den latterlige hastighed af en kosmisk stråle med meget høj energi er at krydse gennem kosmos mere som at prøve at pløje gennem en snestorm. Det skyldes, at den kosmiske mikrobølgebaggrund - oversvømmelsen af lavenergi-fotoner, der er tilbage fra det meget tidlige univers - ved disse hastigheder forekommer meget blåskiftet mod højere energier. Så det høje intensitetslys lugter og skifter ved den vandrende kosmiske stråle, hvilket bremser og til sidst stopper det.
Vi skulle således ikke forvente, at de mest kraftfulde kosmiske stråler rejser længere end hundrede millioner lysår eller deromkring - og de fleste af de aktive galaktiske kerner er meget, langt længere væk fra os end det.
Curveballs
I lang tid var en af de vigtigste mistænkte for OMG-generationen Centaurus A, en relativt nærliggende, aktiv galaktisk kerne, der ligger et sted mellem 10 og 16 millioner lysår væk. Kraftfuld, magnetisk og tæt - den perfekte kombination. Men selvom nogle undersøgelser har antydet, at kosmiske stråler kan komme fra dens generelle retning, har der aldrig været nogen klar nok sammenhæng til at flytte den galakse fra mistænkt til at blive dømt. [Et dybt kig på det underlige Galaxy Centaurus A]
En del af problemet er, at Mælkevejens eget magnetfelt subtilt ændrer bane for indkommende kosmiske stråler og forklarer deres oprindelige retninger. Så for at rekonstruere kilden til en kosmisk stråle har du også brug for modeller til styrken og retningerne i vores galakses magnetfelt - noget vi ikke nøjagtigt har et fuldt greb om.
Hvis OMG-generatoren ikke er Centaurus A i sig selv, er det måske Seyfert-galakserne, en bestemt galaktisk underklasse af generelt tættere, generelt svagere (men stadig vanvittigt lyse og stærke) aktive galaktiske kerner. Men igen, med ikke engang hundrede prøver at trække på, er det svært at foretage en streng statistisk bestemmelse.
Måske er det gammastråle-bursts, der tænkes at stamme fra den særegne kataklysmiske ende til nogle af de mest ekstreme stjerner. Men vores forståelse af fysik i denne situation er (kan du tro det?) Ret skitseret.
Måske er det noget mere eksotisk, som topologiske defekter fra de tidligste øjeblikke af Big Bang eller nogle funky interaktioner inden for mørk stof. Måske får vi fejl i fysikken, og vores afstandgrænseberegninger er ikke nøjagtige. Måske, måske, måske ...
Den sande oprindelse af disse "OMG" -partikler med meget høj energi er svære at fastlægge, og på trods af næsten 30 års detekteringshistorie, har vi ikke mange faste svar. Hvilket er fint - det er godt at have mindst nogle mysterier tilbage i universet. Astrofysikere kunne også bruge en vis jobsikkerhed.
Lær mere ved at lytte til episoden i podcasten "Spørg en Spaceman", tilgængelig på iTunes og på internettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til hchrissscottt for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg os @ Spacedotcom, Facebook og Google+. Original artikel på Space.com.
