Attēla kredīts: NASA
Astronomi uzskata, ka gamma staru pārrāvumi, visspēcīgākie Visuma sprādzieni, var radīt īpaši augstas enerģijas kosmiskos starus, visenerģētiskākās daļiņas Visumā. Pierādījumi, kas savākti NASA orbītas Komptona gamma-staru observatorijā, parādīja, ka vienā gamma starojuma pārrāvuma gadījumā šīs augstas enerģijas daļiņas dominēja apgabalā, kas izveidoja savienojumu starp tām, taču tas ir maz pietiekami, lai pierādītu, ka tās ir pārliecinoši saistītas .
Visjaudīgākie sprādzieni Visumā, gamma staru pārrāvumi, var radīt visenerģētiskākās daļiņas, kas pazīstamas kā īpaši augstas enerģijas kosmiskie stari (UHECR), liecina jauna NASA Komptona Gamma-Ray Observatory novērojumu analīze.
Pētnieki 14. augusta žurnāla Nature izdevumā ziņo par nesen identificētu modeli, ņemot vērā šos mīklainos pārrāvumus, ko varētu izskaidrot ar protoniem, kas pārvietojas matu gaismas platumā.
Šie protoni, tāpat kā sprādziena šrapnelis, varētu būt UHECR. Šādi kosmiski stari ir reti sastopami un veido ilgstošu noslēpumu astrofizikā, šķietami izaicinot fiziskus izskaidrojumus, jo tie vienkārši ir pārāk enerģiski, lai tos radītu plaši pazīstami mehānismi, piemēram, supernovas sprādzieni.
“Kosmiskie stari“ aizmirst ”no kurienes nāk, jo atšķirībā no gaismas tos kosmosā saputo magnētiskie lauki,” sacīja galvenā autore Marija Magdalēna Gonzaleza no Los Alamos Nacionālās laboratorijas Ņūmeksikā un absolvente Viskonsinas universitātē. "Šis rezultāts ir aizraujoša iespēja, lai redzētu pierādījumus par to ražošanu to rašanās vietā."
Gamma staru pārrāvumi - noslēpums, ko zinātnieki beidzot sāk atšķetināt - var spīdēt tikpat spoži kā miljons triljonu saules, un daudzi no tiem var būt no neparasti spēcīga sprādzienbīstama veida. Pārrāvumi ir izplatīti, tomēr nejauši un īslaicīgi, ilgst tikai sekundes.
Kosmiskie stari ir atomu daļiņas (piemēram, elektroni, protoni vai neitrīni), kas pārvietojas tuvu gaismas ātrumam. Zemākas enerģijas kosmiskie stari pastāvīgi bombardē Zemi, to dzen saules uzliesmojumi un tipiski zvaigžņu sprādzieni. UHECRs, katrai atomu daļiņai, kas nes galvenajās līgās izmestā beisbola enerģiju, ir simt miljons reižu enerģiskāki nekā daļiņas, kas tiek ražotas lielākajos cilvēka veidotajos daļiņu paātrinātājos.
Zinātnieki saka, ka UHECR jāražo samērā tuvu Zemei, jo jebkura daļiņa, kas ceļo tālāk par 100 miljoniem gaismas gadu, līdz mūsu sasniegšanai zaudētu daļu savas enerģijas. Tomēr neviens parasto kosmisko staru avots nešķiet pietiekami spēcīgs, lai izveidotu UHECR.
Gonzalez vadītais dokuments koncentrējas nevis uz UHECR ražošanu, bet drīzāk uz jaunu gaismas paraugu, kas redzams gamma staru pārrāvumā. Iegremdējoties Komptonas observatorijas arhīvos (misija beidzās 2000. gadā), grupa atklāja, ka gamma staru pārrāvums no 1994. gada ar nosaukumu GRB941017, šķiet atšķirīgs no pārējiem 2700 - dažiem šī kosmosa kuģa reģistrētajiem pārrāvumiem. Šis pārsprāgums atradās Sagitta zvaigznāja virzienā - Bulta, iespējams, desmit miljardu gaismas gadu attālumā.
Tas, ko zinātnieki sauc par gamma stariem, ir fotoni (gaismas daļiņas), kas aptver plašu enerģijas diapazonu, faktiski vairāk nekā miljons reižu platāki par enerģijām, kuras mūsu acis reģistrē kā varavīksnes krāsas. Gonzalesa grupa apskatīja gammas starojuma fotonus ar augstāku enerģiju. Zinātnieki atklāja, ka šāda veida fotoni dominēja pārrāvumā: Tie bija vidēji vismaz trīs reizes jaudīgāki nekā zemākas enerģijas komponenti, tomēr pārsteidzoši, ka pēc apmēram 100 sekundēm tūkstošiem reižu jaudīgāki.
Tas ir, kamēr satelīta detektoriem triecoties zemākas enerģijas fotonu plūsma sāka mazināties, augstākas enerģijas fotonu plūsma palika vienmērīga. Rezultāts neatbilst populārajam “sinhrotrona šoka modelim”, kas apraksta lielāko daļu pārrāvumu. Kas gan varētu izskaidrot šo augstākas enerģijas fotonu bagātināšanu?
"Viens izskaidrojums ir tāds, ka atbildīgi ir kosmiski ultrajūtīgie stari, bet tieši to, kā tie veido gamma starus ar redzētajiem enerģijas modeļiem, ir ļoti daudz jāaprēķina," sacīja dr. Brenda Dingus no LANL, līdzautore uz papīra. "Mēs dažus teorētiķus aizkavēsim, mēģinot to izdomāt."
Īpaši augstas enerģijas elektronu aizkavēta injekcija ir vēl viens veids, kā izskaidrot negaidīti lielo augstas enerģijas gamma staru plūsmu, kas novērota GRB 941017. Bet šim skaidrojumam būtu jāpārskata standarta eksplozijas modelis, sacīja līdzautors Dr Charles Dermer, teorētiskais astrofiziķis ASV Jūras pētniecības laboratorijā Vašingtonā. "Abos gadījumos šis rezultāts atklāj jaunu procesu, kas notiek gamma staru pārrāvumos," viņš teica.
Gama staru pārrāvumi nav atklāti 100 miljonu gaismas gadu laikā no Zemes, bet caur eoniem šāda veida sprādzieni varēja notikt lokāli. Ja tā, Dingus sacīja, tad viņas grupas redzētais mehānisms GRB 941017 varēja būt dublēts tuvu mājām, pietiekami tuvu, lai piegādātu UHECR, ko mēs redzam šodien.
Iespējams, ka citi pārrāvumi Komptonas observatorijas arhīvā bija līdzīgi, taču dati nav pārliecinoši. NASA Gamma-ray liela kosmosa teleskopam (GLAST), kuru paredzēts uzsākt 2006. gadā, būs pietiekami jaudīgi detektori, lai izšķirtu augstāka enerģijas gamma staru fotonus un atrisinātu šo noslēpumu.
Dabas ziņojuma līdzautori ir arī Ph.D. maģistrants Yuki Kaneko, Dr. Roberts Preece un Dr. Maikls Brigss no Alabamas universitātes Hantsvilā. Šo pētījumu finansēja NASA un Jūras pētniecības birojs.
UHECR tiek novēroti, kad tie nonāk mūsu atmosfērā, kā parādīts attēlā. Sadursmes laikā iegūtā enerģija rada miljardiem subatomisku daļiņu gaisa dušu un ultravioletās gaismas zibspuldzes, kuras nosaka ar īpašiem instrumentiem.
Nacionālais zinātnes fonds un starptautiskie līdzstrādnieki ir sponsorējuši instrumentus uz vietas, piemēram, augstas izšķirtspējas mušas aci Jūtā (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) un Auger observatoriju Argentīnā (http: / /www.auger.org/). Turklāt NASA sadarbojas ar Eiropas Kosmosa aģentūru, lai Starptautiskajā kosmosa stacijā izvietotu Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/). Ierosinātā OWL misija no orbītas skatītos lejup uz gaisa dušām, apskatot tik lielu reģionu kā Teksasa.
Šie zinātnieki reģistrē zibspuldzes un veic subatomiskā šrapnelu skaitīšanu, strādājot atpakaļ, lai aprēķinātu, cik daudz enerģijas vienai daļiņai nepieciešams atmosfēras kaskādes veidošanai. Viņi nonāk šokējošā skaitlī 10 ^ 20 elektronu volti (eV) vai vairāk. (Salīdzinājumam - enerģija dzeltenās gaismas daļiņā ir 2 eV, un elektroni jūsu televīzijas caurulē ir tūkstoš elektronu voltu enerģijas diapazona.)
Šīs sevišķi augstas enerģijas daļiņas piedzīvo savādos efektus, ko paredz Einšteina īpašās relativitātes teorija. Ja mēs varētu novērot viņus no kosmosa attāla stūra, teiksim, simts miljonu gaismas gadu attālumā, mums būtu jābūt pacietīgiem - ceļojuma pabeigšanai būs nepieciešami simts miljoni gadu. Tomēr, ja mēs varētu ceļot ar daļiņām, brauciens ir beidzies mazāk nekā dienā, pateicoties strauji kustīgu objektu laika nobīdei, ko mēra novērotājs.
Kosmiskie stari ar visaugstāko enerģiju pat mūs nevar sasniegt, ja tie tiek ražoti no attāliem avotiem, jo tie saduras un zaudē enerģiju kosmiskajos mikroviļņu fotonos, kas palikuši no lielā sprādziena. Šo kosmisko staru avoti jāatrod salīdzinoši tuvu mums, vairāku simtu miljonu gaismas gadu attālumā. Šajā attālumā ir atrodamas zvaigznes, kuras eksplodē kā gamma staru pārrāvumi, tāpēc notiek intensīvi novērošanas centieni, lai atrastu gamma staru pārraušanas paliekas, kuras izšķir kosmisko staru radītie starojuma halozi.
Tikai dažu veidu debess objektiem ir ārkārtēji apstākļi, kas nepieciešami, lai daļiņas uzspridzinātu līdz UHECR ātrumam. Ja gamma staru sprādzieni rada UHECR, tas, iespējams, to dara, paātrinot daļiņas vielas sprauslās, kuras izdalās no sprādziena, tuvu gaismas ātrumam. Gamma-ray pārrāvumiem ir spēks paātrināt UHECR, bet līdz šim novērotie gamma-ray pārrāvumi ir bijuši nelieli, miljardiem gaismas gadu attālumā. Tas nenozīmē, ka tie nevar notikt tuvumā UHECR nogrieziena attālumā.
Vadošais sāncensis ilgstošu gamma staru pārrāvumu veidiem, piemēram, GRB941017, ir supernovas / kolasara modelis. Supernovas notiek tad, kad zvaigzne, kas ir daudzkārt masīvāka par Sauli, patērē degvielu, izraisot tās kodolu sabrukšanu sava gravitācijas ietekmē, kamēr ārējie slāņi tiek izpūsti milzīgā termoelektroniskā sprādzienā. Kolpsāri ir īpašs supernovas veids, kurā kodols ir tik masīvs, ka tas sabrūk melnajā caurumā - objektā, kas ir tik blīvs, ka nekas, pat gaisma, nevar izbēgt no tā smaguma melnā cauruma notikumu horizontā. Tomēr novērojumi norāda, ka melnie caurumi ir aplieti ēdāji, izmetot materiālu, kas iet tuvu viņu notikumu horizontam, bet nešķērso to.
Apkaklī zvaigznes kodols veido materiāla disku ap jaunizveidoto melno caurumu, piemēram, ūdens, kas virpuļo ap notekas. Melnais caurums patērē lielāko daļu diska, bet dažas vielas tiek spridzinātas strūklās no melnā cauruma poliem. Sprauslas plīst cauri sabrūkošai zvaigznei tuvu gaismas ātrumam, un pēc tam sit caur gāzi, kas ieskauj lemto zvaigzni. Kad strūklas ietriecas starpzvaigžņu vidē, tās rada trieciena viļņus un palēninās. Iekšējie triecieni veidojas arī sprauslās, jo to priekšējās malas ir lēnas un no aizmugures tiek notraipītas ar ātrgaitas strāvu. Triecieni paātrina daļiņas, kas rada gamma starus; pēc komandas domām, viņi varētu arī paātrināt daļiņas līdz UHECR ātrumam.
"Tas ir tāpat kā galda tenisa bumbiņas atlecšana starp bradāt un galdiņu," sacīja Dingus. “Pārvietojot airi tuvāk galdam, bumba atlec ātrāk un ātrāk. Gaismas staru pārrāvumā airis un galds ir čaumalas, kas izmestas strūklā. Turbulenti magnētiskie lauki liek daļiņām rikošetēt starp čaumalām, paātrinot tās līdz gandrīz gaismas ātrumam, pirms tās izdalās kā UHECR. ”
Neitrīno noteikšana no gamma staru pārrāvumiem ļaus kosmiskajam staru paātrinājumam iegūt gamma staru pārrāvumus. Neitrīni ir nenotveramas daļiņas, kas rodas, ja augstas enerģijas protoni saduras ar fotoniem. Neitrīniem nav elektrības lādiņa, tāpēc joprojām norādiet atpakaļ uz to avota virzienu.
Nacionālais zinātnes fonds šobrīd būvē IceCube (http://icecube.wisc.edu/), kubikkilometru detektoru, kas atrodas ledus zem dienvidu pola, lai meklētu neitrīno emisijas no gamma staru pārrāvumiem. Tomēr dabas vislielākās enerģijas daļiņu paātrinātāju raksturojums joprojām ir paliekošs noslēpums, kaut arī sprādzienbīstamu zvaigžņu, kas rada gamma staru pārrāvumus, paātrinājums ir bijis labvēlīgs kopš brīža, kad to ierosināja Mario Vietri (Universita di Roma) un Eli Waxman (Veizmana institūts). 1995. gadā.
Komanda uzskata, ka, lai gan šim novērojumam ir iespējami citi skaidrojumi, rezultāts atbilst UHECR paātrinājumam gamma staru pārrāvumos. Viņi redzēja gan zemas enerģijas, gan augstas enerģijas gamma starus GRB941017 sprādzienā. Zemas enerģijas gamma stari ir tie, ko zinātnieki sagaida no ātrgaitas elektronu novirzes intensīvā magnētiskā lauka ietekmē, savukārt lielās enerģijas stari ir tie, kas gaidāmi, ja daži no pārraušanas laikā radītajiem UHECR sagrauj citus fotonus, radot daļiņu dušu. , daži no tiem mirgo, lai ražotu augstas enerģijas gamma starus, kad tie sabrūk.
Svarīgs ir arī gamma-starojuma izstarošanas laiks. Zemas enerģijas gamma stari izzuda salīdzinoši ātri, bet augstas enerģijas gamma stari uzkavējās. Tas ir jēga, ja divas dažādas daļiņu klases - elektroni un UHECR protoni - ir atbildīgas par atšķirīgajiem gamma stariem. “Elektroniem ir daudz vieglāk izstarot enerģiju nekā protoniem. Tāpēc zemas enerģijas gamma staru izstarošana no elektroniem būtu īsāka nekā augstas enerģijas gamma stariem, kas rodas no protoniem, ”sacīja Dingus.
Komptona gamma staru observatorija bija otrā no NASA Lielajām observatorijām, un gamma starojums bija līdzvērtīgs Habla kosmiskā teleskopa un Čandras rentgena observatorijai. Komptons tika palaists uz kuģa Space Shuttle Atlantis 1991. gada aprīlī, un tā tilpums bija 17 tonnas, un tas bija lielākais astrofizikālais kravas daudzums, kāds tajā laikā jebkad bijis lidots. Pēc savas novatoriskās misijas beigām Komptons tika apdzīvots un 2000. gada 4. jūnijā atkal ienāca Zemes atmosfērā.
Oriģinālais avots: NASA ziņu izlaidums
