daleko, Daleko, něco – někde – je vytvořit částice s šílené množství energie. Ať už jsou nebo odkudkoli, tyto částice mohou být cokoli mezi 1018 eV a 1020 eV. Vzhledem k tomu, že nejvyšší energie částic v CERNU Large Hadron Collider je o 1013 eV, některé z těchto částic jsou milionkrát více energie, než něco, co můžeme móda v nejsilnější urychlovač částic na světě. Jednoduše řečeno, jsou to nejenergetičtější částice, jaké kdy byly v přírodě vidět.

známé jako ultra-energetické kosmické paprsky (UHECRs), tyto částice byly objeveny v roce 1962. Jsou to superenergetičtí bratři kosmických paprsků, které poprvé spatřil rakouský vědec Victor Hess během slavné série odvážných letů horkovzdušným balónem 50 před lety. Ale i když víme hodně o pravidelných kosmických paprscích, z čeho jsou Uhecry vyrobeny, odkud na nebesích pocházejí a co je urychluje, zůstává záhadou.

naštěstí některé UHECRs občas prší na planetě Zemi. Když jeden takový paprsek vstoupí do atmosféry, srazí se s molekulami vzduchu, které zase narazí na jiné částice, což má za následek kaskádový efekt až k zemi. Výsledkem je sprcha částic rozložená na ploše 5 km široké na zemském povrchu. A díky observatoři Pierre Auger v Argentině a Telescope Array v Utahu můžeme tyto sprchy detekovat a extrahovat informace o samotných kosmických paprscích.

Obě zařízení se skládá z pole povrchových detektorů – v případě Šneku, 1660 velké sudy, každý s více než 12 000 litrů vody se šíří přes 3000 km2. Když se částice z sprcha vletí do detektoru, vytváří elektromagnetickou vlnu, která je snímáno světlo-detekce trubky namontován na detektor tanky. Vědci pak mohou tyto informace kombinovat s údaji z 27 dalekohledů rozmístěných po celém poli, které shromažďují fluorescenční světlo vytvořené, když kaskáda vzrušuje dusík ve vzduchu.

tato kombinovaná technika poskytuje přesné měření toku, směru příjezdu a energie Uhecr. A v loňském roce v důsledku této práce výzkumníci Pierre Auger jednoznačně ukázali, že nejsilnější kosmické paprsky pocházejí mimo Mléčnou dráhu, nikoli z naší galaxie (věda 357 1266). Vzhledem k tomu, že víme o kosmických paprscích více než století, tento průlom se může zdát ohromující a trochu opožděný. V realitě, ačkoli, odráží obrovskou výzvu, které vědci čelí. Kosmické paprsky s energií nad 1020 eV přistávají-v průměru-jen jednou na kilometr čtvereční na Zemi za století.

Kosmického záření s energií nad 1020 eV zemi – v průměru – jen jednou na kilometr čtvereční na Zemi za století.

Jaké jsou UHECRs z?

Data shromážděná v průběhu desetiletí dokazují, že nízkoenergetické kosmické paprsky-které jsou většinou protony, jádra a elektrony – vypadají, že pocházejí ze všech směrů oblohy. Vědci připisují toto šíření paprskům, které jsou ve všech směrech vychýleny magnetickými poli, která prostupují naší galaxií,což vylučuje veškerou naději, že se někdy přímo vynulují na svůj zdroj. UHECRs jsou další věc. Jsou napájeny galaktickými magnetickými poli tak dobře, že jsou vychýleny pouze o několik stupňů. „Můžeme je použít jako astronomické posly k přímému nalezení zdrojů,“ vysvětluje Ralph Engel, mluvčí observatoře Pierra Augera.

během vzduchové sprchy UHECR kaskádový efekt zahrnuje stále více částic, protože sprchové kosy procházejí atmosférou. Každá interakce však ztrácí energii,což znamená, že počet sprchových částic začíná klesat, přičemž jen malá část dosáhne země. Ale tím, věděl, jak vzduchové sprchy se šíří v atmosféře, Šnek a Telescope Array mohou vědci simulovat interakce částic odvodit, kde v atmosféře sprcha byla na svém vrcholu. A kombinací špičkové hodnoty sprchy s naměřenou energií sprchy mohou odvodit hmotnost – a tím i identitu-Uhecr.

Když vědci Auger použili tuto metodu, očekávali, že Uhecr s nejvyšší energií budou jednoduše vyrobeny z protonů. Místo toho našli něco divného. Jak se energie Uhecr zvýšila ze 1018 eV na 1020 eV, zvýšila se i hmotnost. „Začínáme s množstvím protonů kolem 1019 eV,“ vysvětluje Engel. „Pak najednou dojde k drastické změně helia a pak prvků v rozmezí uhlíku a dusíku.“

zvýšení UHECR je hmota jako paprsky, získat více energie, je problém na obou experimentátorů a teoretiků. Co je složité pro Auger vědce je, že těžší Uhecr dostat vychýlené více magnetických polí Mléčné dráhy je, což je ještě náročnější vypracovat jejich zdroj. Pro teoretiky jako Vasiliki Pavlidou z University of Crete, na druhou stranu, problém je zásadnější: to mohlo napadnout celé naše chápání fyziky vysokých energií. „Pokud jsou primární částice při nejvyšších energiích skutečně těžší, existuje několik nepříjemných náhod, které musíme přijmout,“ říká.

Podle konvenční moudrost, kosmické záření nad určitou energii rychle ztrácí energii při interakci s fotony v kosmickém mikrovlnném pozadí, což znamená, že energie UHECRs viděl na Zemi by měla být omezena na cca 1020 eV. Nicméně, pokud pozorované částice jsou stále těžší s energií, pak astrofyzikální proces, který urychluje kosmické paprsky v první řadě-ať je to cokoli – musí běžet v blízkosti své nejvyšší energie. (Lehčí částice pak budou prostě příliš malé na to, aby dosáhly těchto vysokých energií.) 1020 eV UHECR energetická mez se proto řídí dva zcela nesouvisející procesy: jak jsou částice urychlovány na jejich extragalaktických zdroj a jak ztrácejí energii, zatímco oni cestují přes mezihvězdný prostor. To je první podivná náhoda.

druhá náhoda se týká kosmických paprsků z naší Galaxie a těch, které pocházejí odjinud. Zdá se, že galaktické kosmické paprsky přestat být pozorováno v 3 × 1018 eV – přesně stejnou energii, při které extragalaktických kosmických paprsků začít se těžší energie. To je zvláštní vzhledem k tomu, že galaktické a extragalaktické kosmické paprsky pocházejí z velmi odlišných zdrojů(i když stále nevíme, odkud pocházejí).

vzhledem k tomu, že tyto dvě náhody závisí na procesech a vlastnostech, které nejsou ani vágně příbuzné, proč se dějí ve stejných energetických měřítcích? Jedním z důvodů by mohlo být, že tyto náhody prostě neexistují. To by jistě bylo v případě extragalaktických kosmických paprsků nenechte se těžší energie, ale jsou prostě vždy protonů; náhody by pak prostě zmizí. Opravdu, Pavlidou a její Kréta kolega Theodore Tomaras počítám, že UHECRs by mohla být především protonů, jediný zádrhel, že tam bude muset být nějaké nové neobjevené fyzikální jev, který ovlivňuje vzduch sprchy nad určitou energii.

to může znít výstředně, ale existuje dobrý důvod neodmítnout myšlenku úplně. Fyzici modelují, jak částice ve vzduchové sprše interagují na základě jejich chápání standardního modelu částicové fyziky, ale nikdy nebyl testován (ani na LHC) při tak vysokých energiích. Tyto simulace navíc zdaleka nevysvětlují všechny pozorované vlastnosti vzduchové sprchy. Takže máte dvě nevyhovující možnosti. Buď kosmické paprsky jsou protony a nová fyzika je způsobuje, že vypadají těžké. Nebo Uhecr jsou těžké částice a standardní Model potřebuje nějaké vážné vyladění.

ale pokud Uhecr jsou protony, přijít na to, jak by protony mohly být maskovány jako těžší částice, bude vyžadovat nějaké alternativní myšlení. Jednou z zajímavých možností je, že počáteční srážka protonu vytváří mini černou díru, jejíž existenci předpovídají teorie s velkými extra rozměry. „Pro správný počet takových rozměrů mohou mít skutečně požadovanou hmotnost,“ vysvětluje Tomaras. „Mini černé díry by rozpad okamžitě na velký počet hadronů sdílení energie černé díry, takže proton primární ‚vzhled‘ heavy.“

při Pohledu na oblohu z pod vodou,

Další alternativou by bylo dovolávat existence dosud neobjevené fáze kvantové chromodynamiky (QCD) – teorie, která popisuje, jak jsou kvarky vázány uvnitř protonů, neutronů a dalších hadronů. Tomaras však připouští, že jde o“ exotické “ scénáře. „Dosud jsme objevili velké další dimenze,“ říká, „a máme důvody se domnívat, že produkce průřez mini černé díry, bude s největší pravděpodobností být příliš malý, aby sloužil náš účel, a navíc, nemáme robustní kvantitativní pochopení fází QCD.“Nicméně, pokud důkaz povrchů UHECRs jsou protony, Tomaras věří, že je „téměř nevyhnutelné“, že takové exotické jevy se vyskytují v přírodě.

co je urychluje?

ponecháme-li stranou nedostatek jistoty kolem toho, co jsou Uhecr, otázka, na které opravdu záleží, je: co je dělá? Zde je obrázek ještě zmatenější. Až donedávna někteří fyzici zkoumali exotické myšlenky známé jako „modely shora dolů“, které přesahují standardní Model. Myšlenka je, že high-energie, neznámé objekty, jako jsou super-těžká temná hmota – s mas 1012 krát větší než hmotnost protonu – by rozpad dolů, aby částice UHECR. Háček s těmito modely je to, že naznačují, kosmické záření by měla být ovládán fotony a neutrina, vzhledem k tomu, že data z Observatoře Pierra augera, Telescope Array a jinde naznačují, většinou nabité částice. „Nikdo se už nesnaží stavět exotické modely klasického nastavení shora dolů,“ vysvětluje Engel.

i když exotické temné hmoty scénář nebyl úplně vyloučit jako zdroj UHECRs, výzkumníci se více vážně uvažuje-li extrémně násilné astrophysical události by mohlo místo toho být zodpovědný za tak vysokou energií. Pulsary, rentgenové záření, trysky z aktivní galaktická jádra, starburst galaxií a jiní byly navrženy s populární názor, houpající se mezi nimi.

Roberto Aloisio z Gran Sasso Science Institute v Itálii se domnívá, že augerovy výsledky – naznačující těžší částice UHECR při nejvyšších energiích – jsou důležitým vývojem. „Je snazší urychlit těžká jádra než protony, protože mechanismy zrychlení vždy cítí elektrický náboj částic – a jádra těžší než protony mají vždy větší elektrický náboj,“ vysvětluje. Jako výsledek, Aloisio naznačuje Šnek bodů k pulsary jako zdroj UHECRs, které produkují těžší prvky a mohl jet těchto částic na požadovanou energii (Prog. Theore. Expo. Phys. 2017 12A102).

V současné době však existuje jeden kandidát, který je před všemi ostatními zdrojem UHECRs. „Kdybych se měl vsadit, rozhodně bych dal všechny své peníze na starburst galaxií,“ říká Luis Anchordoqui z City University of New York, který je členem 500-silný Šnek tým. Galaxie Starburst jsou nejsvětlejší ve vesmíru a vytvářejí hvězdy zuřivou rychlostí. Jako Anchordoqui a kolegy první přišel s hypotézou, v roce 1999, v blízkosti starburst galaxií urychlení jádra na ultravysoké energie prostřednictvím kolektivního úsilí, kombinující četné výbuchy supernov v centrální husté oblasti galaxie vytvořit galaktickém měřítku „superwind“ outflowing plynu.

jak se tento superwind rozšiřuje, stává se méně hustým, zpomaluje tok dolů na podzvukovou rychlost-ve skutečnosti zastavuje postup samotného superwindu. „To vytváří obrovské rázové vlny, podobné, jako vyrábí po výbuchu jaderné bomby, ale mnohem silnější,“ říká Anchordoqui.

rozhodující je, že tento proces difuzního urychlovače rázů, nebo DSA, může vybičovat částice plynu na téměř rychlost světla. Částice získávají energii postupně tím, že jsou omezeny magnetickými poli, a křížení a překřížení rázové přední strany. A kolem dokola astrophysical accelerator, tyto malé energie zvyšuje vybudovat, dokud se částice dosáhne únikové rychlosti a odletěl do vesmíru. Anchordoqui nedávno revidoval práci v kontextu nejnovějších poznatků Augera (Phys . Rev. D 97 063010).

DSA, které se vyskytují nejen v starburst galaxií, je často vyvolána vysvětlit navrhované zrychlení částic v gama záblesky, aktivní galaktická jádra a další UHECR zdroj kandidátů. Přesto na začátku roku 2018 Kohta Murase a jeho spolupracovníci z Penn State University ukázali, že by mohl být ve hře jiný mechanismus zrychlení (Phys. Rev. D 97 023026).

ve svém modelu dostávají obyčejné kosmické paprsky existující v určité galaxii obrovskou energetickou podporu silnými tryskami aktivních galaktických jader prostřednictvím mechanismu známého jako diskrétní smykové zrychlení. To je komplexní proces zahrnující interakci mezi částicí, místní poruchy v magnetickém poli a rychlost rozdíl – nebo „shear“ – z různých částí letadla tok a okolní kokon. Ale nakonec je účinek podobný DSA. „Kosmické paprsky získávají energii rozptylem tam a zpět kolem hranice střihu,“ vysvětluje Murase, po kterém unikají rádiovými laloky, které se často nacházejí na konci trysek.

ještě nedávno Murase a Ke Fang z University of Maryland (Nature Phys. 14 396) přehodnotil myšlenku, že silné trysky černé díry v agregátech galaxií by mohly pohánět UHECRs. Začít, porovnali svůj model s Augerovými pozorovanými uhecr toky a údaji o složení, odhalující dobrou shodu s experimentálními pozorováními. Ale co je nejzajímavější, se ukázalo, že popisovat jak UHECRs, neutrina a gama záření může být produkován aktivní galaktická jádra, které by mohlo vysvětlit údaje shromážděné IceCube Neutrino Observatory v Antarktidě, Fermi Gamma-ray Space Telescope a Šnek současně. „Nejkrásnější možností je, že všechny tři messengerové částice pocházejí ze stejné třídy zdrojů,“ dodává Murase.

odkud pocházejí?

kdybychom věděli, odkud na obloze Uhecr pocházejí, úkol vybrat, který zdroj je vyrobil, by byl mnohem jednodušší. Ve vědě o kosmickém záření však neexistuje nic jako „snadné“. Neohrožený, Šnek a Telescope Array vědci používají katalogy potenciální kandidátské předměty, které by mohly urychlit UHECRs a pokuste se je zápas s příchodem směry kosmického záření, které pozorujeme. Jak přichází stále více údajů, obě zařízení identifikovala oblast, ze které se zdá, že velká část těchto paprsků pochází.

V případě Šneku, tato oblast obsahuje řadu starburst galaxií, ale také Centaurus A – nejbližší obří galaxie Mléčná dráha, která hostí aktivní galaktická jádra. Co se týče Telescope Array, jeho „hot spot“, který leží těsně pod rukojetí souhvězdí Ursa Major, je ještě jasnější označení směru příjezdu, s čtvrtina zjištěných UHECR signály přicházející od 40° kruh, který tvoří pouze 6% oblohy. Ale ačkoli hvězdná galaxie M82 sídlí v horkém místě, asi 12 milionů světelných let daleko v Ursa Major, různé jiné typy objektů v této části oblohy by mohly být také UHECROVÝM rodištěm.

„korelace je ve směru M82 pokud chcete říct, že je to starburst galaxií, nebo je to směr Centaurus A, pokud chcete, aby to bylo aktivní galaktická jádra,“ říká Engel. „Ačkoli data lépe korelují s galaxiemi starburst, neznamená to, že budou zdroji.“

stejně jako nevíme, co jsou Uhecry nebo co je urychluje, tak odkud na obloze pocházejí, je zahaleno i z pohledu. Nemusí však trvat dlouho, než najdeme odpověď. Probíhají upgrady observatoře Pierra Augera a pole dalekohledu, zatímco vědci zkoumají nová zařízení, jako je sonda satelitů Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA).

tajemství hmoty a původu těchto záhadných částic by mohlo být během deseti let konečně odhaleno.