Lavfrekvent radiohimmel på tidspunktet for et kosmisk strålehit. Billedkredit: MPIFR. Klik for at forstørre.
Ved hjælp af LOPES-eksperimentet, en prototype af det nye højteknologiske radioteleskop LOFAR til at påvise kosmiske strålepartikler med ultrahøj energi, har en gruppe astrofysikere i samarbejde med Max-Planck-Gesellschaft og Helmholtz-Gemeinschaft registreret det lyseste og hurtigste radioblæst nogensinde set på himlen. Sprængningerne, hvis detektion rapporteres i denne uges udgave af tidsskriftet Nature, er dramatiske blitz af radiolys, der forekommer mere end 1000 gange lysere end solen og næsten en million gange hurtigere end normalt lyn. I et meget kort øjeblik bliver disse blinker - som hidtil stort set ikke har været bemærket - blevet til det klareste lys på himlen med en diameter, der er dobbelt så stor som månens størrelse.
Eksperimentet viste, at radioblinkene produceres i jordatmosfæren, forårsaget af påvirkningen af de mest energiske partikler produceret i kosmos. Disse partikler kaldes kosmiske stråler med meget høj energi, og deres oprindelse er et igangværende puslespil. Astrofysikerne håber nu, at deres fund vil kaste nyt lys over mysterierne med disse partikler.
Forskerne brugte en række radioantenner og det store udvalg af partikeldetektorer fra KASCADE-Grande-eksperimentet ved Forschungszentrum Karlsruhe. De viste, at hver gang en meget energisk kosmisk partikel ramte Jorden-atmosfæren, blev der registreret en tilsvarende radiopuls fra retningen af den indkommende partikel. Ved hjælp af billeddannelsesteknikker fra radioastronomi producerede gruppen endda digitale filmsekvenser af disse begivenheder, hvilket gav de hurtigste film nogensinde produceret i radioastronomi. Partikeldetektorerne forsynede dem med grundlæggende information om de indkommende kosmiske stråler.
Forskerne kunne vise, at styrken af det udsendte radiosignal var et direkte mål for den kosmiske stråleenergi. ”Det er forbløffende, at vi med enkle FM-radioantenner kan måle energien fra partikler, der kommer fra kosmos,” siger professor Heino Falcke fra Holland Foundation for Research in Astronomy (ASTRON), der er talsmand for LOPES-samarbejdet. ”Hvis vi havde følsomme radioøje, ville vi se himlen gnistre med radioblink”, tilføjer han.
Forskerne brugte par antenner svarende til dem, der blev brugt i almindelige FM-radiomodtagere. ”Den største forskel med normale radioer er digital elektronik og bredbåndsmodtagere, som gør det muligt for os at lytte til mange frekvenser på én gang”, forklarer Dipl. Phys. Andreas Horneffer, en kandidatstuderende ved University of Bonn og International Max-Planck Research School (IMPRS), der installerede antennerne som en del af sit ph.d.-projekt.
I princippet er nogle af de detekterede radioblitz faktisk stærke nok til at udslette konventionel radio- eller tv-modtagelse i kort tid. For at demonstrere denne effekt har gruppen konverteret deres radiomodtagelse af en kosmisk strålehændelse til et lydspor (se nedenfor). Da blinkene kun varer i 20-30 nanosekunder og lyse signaler kun sker en gang om dagen, ville de næppe være genkendelige i hverdagen.
Eksperimentet viste også, at radioemissionen varierede i styrke i forhold til jordens magnetfeltorientering. Dette og andre resultater bekræftede grundlæggende forudsigelser, der var blevet foretaget i teoretiske beregninger tidligere af prof. Falcke og hans tidligere ph.d.-studerende Tim Huege, samt ved beregninger af prof. Peter Gorham fra University of Hawaii.
Kosmiske strålepartikler bombarderer konstant jorden, hvilket forårsager små eksplosioner af elementære partikler, der danner en stråle af stof og antistofpartikler, der stormer gennem atmosfæren. De letteste ladede partikler, elektroner og positroner i denne stråle vil blive afbøjet af det geomagnetiske felt på Jorden, hvilket får dem til at udsende radioemission. Denne type stråling er velkendt fra partikelacceleratorer på Jorden og kaldes synkrotronstråling. I analogi taler astrofysikerne nu om "geosynchrotron" -stråling på grund af samspillet med jordens magnetfelt.
Radioblitz blev opdaget af LOPES-antenner installeret ved KASCADE-Grande kosmisk stråle-luftbruseforsøg i Forschungszentrum Karlsruhe, Tyskland. KASCADE-Grande er et førende eksperiment til måling af kosmiske stråler. ”Dette viser styrken ved at have et stort astropartikel-fysikeksperiment direkte i vores kvarter - dette gav os fleksibiliteten til også at udforske usædvanlige ideer som denne,” siger Dr. Andreas Haungs, talsmand for KASCADE-Grande.
Radioteleskopet LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) bruger prototypeantenner fra det største radioteleskop i verden, LOFAR, der blev bygget efter 2006 i Holland og dele af Tyskland. LOFAR har et radikalt nyt design, der kombinerer en række billige lavfrekvente antenner, der samler radiosignaler fra hele himlen på én gang. Forbundet med højhastighedsinternet har en supercomputer derefter evnen til at registrere usædvanlige signaler og lave billeder af interessante regioner på himlen uden at bevæge nogen mekaniske dele. ”LOPES opnåede de første store videnskabelige resultater af LOFAR-projektet allerede i udviklingsfasen. Dette gør os sikre på, at LOFAR virkelig vil være så revolutionerende, som vi havde håbet, at det ville være. ” forklarer prof. Harvey Butcher, direktør for Holland Foundation for Research in Astronomy (ASTRON) i Dwingeloo, Holland, hvor LOFAR i øjeblikket er under udvikling.
”Dette er virkelig en usædvanlig kombination, hvor nukleære fysikere og radioastronomer samarbejder om at skabe et unikt og meget originalt astropartikel-fysikeksperiment,” siger Dr. Anton Zensus, direktør ved Max-Planck-Institut for Radioastronomie (MPIfR) i Bonn. ”Det baner vejen for nye detektionsmekanismer inden for partikelfysik såvel som at demonstrere de betagende evner i næste generations teleskoper som LOFAR og senere Square Kilometer Array (SKA). Pludselig mødes store internationale eksperimenter på forskellige forskningsområder ”
Som næste trin vil astrofysikerne bruge det kommende LOFAR-array i Holland og Tyskland til radioastronomi og kosmisk stråleundersøgelse. Der pågår en test for at integrere radioantenne i Pierre Auger-observatoriet for kosmiske stråler i Argentina og muligvis senere i det andet Auger-observatorium på den nordlige halvkugle. ”Dette kan være et stort gennembrud inden for detektionsteknologi. Vi håber at bruge denne nye teknik til at opdage og forstå naturen af de kosmiske stråler med højeste energi og også til at detektere neutrinoer med meget høj energi fra kosmos, ”siger prof. Johannes Bl? Mer, Astroparticle Physics programleder for Helmholtz Association og ved Forschungszentrum Karlsruhe.
Påvisningen er delvist blevet bekræftet af en fransk gruppe ved hjælp af det store radioteleskop fra Paris-observatoriet i Nanay. Historisk set blev arbejde med radioemission fra kosmiske stråler først udført i slutningen af 1960'erne med de første påstande om detektioner. Der kunne dog ikke udvindes nogen nyttige oplysninger med denne dags teknologi, og arbejdet ophørte hurtigt. De største mangler var manglen på billeddannelsesfunktioner (nu implementeret af software), den lave tidsopløsning og manglen på en godt kalibreret partikeldetektorarray. Alt dette er blevet overvundet med LOPES-eksperimentet.
Original kilde: MPI News Release
