langt, langt væk, noget-et eller andet sted-skaber partikler med skøre mængder energi. Uanset hvad de er eller hvor de er fra, kan disse partikler være alt mellem 1018 eV og 1020 eV. I betragtning af at den øverste partikelenergi på CERNs Large Hadron Collider er omkring 1013 eV, er nogle af disse partikler en million gange mere energiske end noget, vi kan mode på den mest kraftfulde partikelaccelerator på planeten. Ganske enkelt er de de mest energiske partikler, der nogensinde er set i naturen.

kendt som ultrahøj-energi kosmiske stråler (UHECRs), blev disse partikler opdaget i 1962. De er de super-energiske brødre af fælles-eller-have kosmiske stråler, som først blev set af den østrigske videnskabsmand Victor Hess under en berømt række dristige luftballonflyvninger 50 år tidligere. Men mens vi ved meget om regelmæssige kosmiske stråler, hvad Uhecr ‘ er er lavet af, hvor i himlen de kommer fra, og hvad der fremskynder dem, forbliver et mysterium.

heldigvis regner nogle Uhecr ‘ er lejlighedsvis ned på planeten Jorden. Når en sådan stråle kommer ind i atmosfæren, kolliderer den med luftmolekyler, som igen banker ind i andre partikler, hvilket resulterer i en kaskadeeffekt helt til jorden. Resultatet er et brusebad af partikler spredt over et område 5 km bredt på jordens overflade. Og takket være Pierre Auger Observatory i Argentina og Telescope Array i Utah kan vi opdage disse brusere og udtrække information om de kosmiske stråler selv.

begge faciliteter består af en række overfladedetektorer – i tilfælde af Auger, 1660 store tønder hver med over 12.000 liter vand spredt over 3000 km2. Når en partikel fra et brusebad flyver ind i en detektor, skaber den en elektromagnetisk stødbølge, der hentes af lysdetekterende rør monteret på detektorens tanke. Forskere kan derefter kombinere disse oplysninger med data fra 27 teleskoper prikket i hele arrayet, der samler fluorescenslyset, der oprettes, når kaskaden ophidser nitrogen i luften.

denne kombinerede teknik giver et nøjagtigt mål for Uhecr ‘ ernes strøm, ankomstretning og energi. Og sidste år, som et resultat af dette arbejde, viste Pierre Auger-forskere utvetydigt, at de mest magtfulde kosmiske stråler kommer uden for Mælkevejen, ikke inden for vores galakse (Science 357 1266). I betragtning af at vi har kendt til kosmiske stråler i over et århundrede, kan dette gennembrud virke overvældende og lidt forsinket. I virkeligheden, selvom, det afspejler den gigantiske udfordring, som forskere står over for. Kosmiske stråler med en energi over 1020 eV lander-i gennemsnit – kun en gang pr. kvadratkilometer på jorden pr. århundrede.

kosmiske stråler med en energi over 1020 eV land – i gennemsnit – kun en gang pr. kvadratkilometer på jorden pr. århundrede

Hvad er Uhecr ‘ er lavet af?

Data indsamlet gennem årtier viser, at kosmiske stråler med lav energi-som for det meste er protoner, kerner og elektroner – ser ud til at komme fra alle retninger på himlen. Forskere tilskriver denne spredning til strålerne, der afbøjes i alle retninger af magnetfelterne, der gennemsyrer vores galakse, hvilket udelukker alt håb om nogensinde at nulstille deres kilde direkte. UHECRs er en anden sag. De strømmer gennem galaktiske magnetfelter så godt, at de kun afbøjes med nogle få grader. “Vi kan bruge dem som astronomiske budbringere til at finde kilderne direkte,” forklarer Ralph Engel, talsmand for Pierre Auger Observatory.

under et UHECR-luftbruser involverer kaskadeeffekten flere og flere partikler, når bruser skyter gennem atmosfæren. Imidlertid mister hver interaktion energi, hvilket betyder, at antallet af brusepartikler begynder at falde, med kun en lille brøkdel, der når jorden. Men ved at vide, hvordan luftbruseren spredes i atmosfæren, kan forskere fra Auger og Telescope Array simulere partikelinteraktionerne for at udlede, hvor i atmosfæren brusebadet var på sit højeste. Og ved at kombinere bruserens spidsværdi med den målte bruseenergi kan de udlede Uhecr ‘ ernes masse – og dermed identiteten–.

da Auger-forskere anvendte denne metode, forventede de, at Uhecr ‘ erne med højeste energi simpelthen var lavet af protoner. I stedet fandt de noget mærkeligt. Da UHECRs energi steg fra 1018 eV til 1020 eV, gjorde massen det også. “Vi starter med en masse protoner omkring 1019 eV,” forklarer Engel. “Så pludselig er der en drastisk ændring til helium og derefter elementer i området kulstof og nitrogen.”

forøgelsen af UHECRS masse, når strålerne bliver mere energiske, er et problem for både eksperimentalister og teoretikere. Hvad der er vanskeligt for Auger-forskere er, at tungere Uhecr ‘ er bliver afbøjet mere af Mælkevejens magnetfelter, hvilket gør det endnu mere udfordrende at finde ud af deres kilde. For teoretikere som Vasiliki Pavlidou fra Kretas Universitet er problemet på den anden side mere grundlæggende: det kan udfordre hele vores forståelse af højenergifysik. “Hvis de primære partikler ved de højeste energier faktisk bliver tungere, er der et par ubehagelige tilfældigheder, som vi er nødt til at acceptere,” siger hun.

ifølge konventionel visdom mister kosmiske stråler over en bestemt energi hurtigt energi, når de interagerer med fotoner i den kosmiske mikrobølgebaggrund, hvilket betyder, at energien fra Uhecr ‘ er, der ses på jorden, burde være begrænset til omkring 1020 eV. Men hvis de observerede partikler bliver tungere med energi, så skal den astrofysiske proces, der accelererer de kosmiske stråler i første omgang – uanset hvad det er – køre tæt på sin øverste energi. (De lettere partikler vil så simpelthen være for dårlige til at nå de høje energier.) 1020 EV UHECR-energigrænsen styres derfor af to helt uafhængige processer: hvordan partiklerne accelereres ved deres ekstragalaktiske kilde, og hvordan de mister energi, når de rejser gennem det interstellære rum. Det er det første mærkelige tilfælde.

den anden tilfældighed er at gøre med kosmiske stråler fra vores galakse og dem, der kommer fra andre steder. Det ser ud til, at galaktiske kosmiske stråler holder op med at blive observeret ved 3 liter 1018 eV – nøjagtig den samme energi, hvor ekstragalaktiske kosmiske stråler begynder at blive tungere med energi. Det er mærkeligt, da galaktiske og ekstragalaktiske kosmiske stråler kommer fra meget forskellige kilder (selvom vi stadig ikke ved, hvor sidstnævnte stammer fra).

i betragtning af at disse to tilfældigheder afhænger af processer og egenskaber, der ikke engang er vagt relaterede, hvorfor sker de på samme energiskalaer? En af grundene kan være, at disse tilfældigheder simpelthen ikke eksisterer. Det ville helt sikkert være tilfældet, hvis ekstragalaktiske kosmiske stråler ikke bliver tungere med energi, men bare altid er protoner; tilfældighederne ville så bare falme væk. Pavlidou og hendes Kreta-kollega Theodore Tomaras regner faktisk med, at Uhecr ‘ er hovedsageligt kunne være protoner, den eneste hage, der er der, skulle være et nyt uopdaget fysisk fænomen, der påvirker luftbruserne over en bestemt energi.

det lyder måske outlandish, men der er god grund til ikke at afvise ideen direkte. Fysikere modellerer, hvordan partiklerne i luftbruseren interagerer ud fra deres forståelse af standardmodellen for partikelfysik, men det er aldrig blevet testet (selv ved LHC) ved så høje energier. Desuden er disse simuleringer langt fra at forklare alle de observerede luftbruseregenskaber. Så du har to ubehagelige valg. Enten er kosmiske stråler protoner, og ny fysik får dem til at virke tunge. Eller Uhecr ‘ er er tunge partikler, og standardmodellen har brug for en seriøs tilpasning.

men hvis Uhecr ‘ er er protoner, vil det være nødvendigt at finde ud af, hvordan protoner kan maskeres som tungere partikler. En spændende mulighed er, at protonens første kollision producerer et mini sort hul, hvis eksistens forudsiges af teorier med store ekstra dimensioner. “For det rigtige antal af sådanne dimensioner kan de faktisk have den ønskede masse,” forklarer Tomaras. “Mini sorte huller ville henfalde øjeblikkeligt til et stort antal hadroner, der deler det sorte hul energi, hvilket gør proton primære ‘look’ tung.”

ser man på himlen fra under vand

et andet alternativ ville være at påberåbe sig eksistensen af endnu uopdagede faser af kvantekromodynamik (KCD)-teorien, der beskriver, hvordan kvarker er bundet inde i protoner, neutroner og andre hadroner. Tomaras indrømmer imidlertid, at dette er” eksotiske ” scenarier. “Vi har endnu ikke opdaget store ekstra dimensioner, “siger han,” og vi har grund til at mistanke om, at produktionstværsnittet af mini sorte huller sandsynligvis vil være for lille til at tjene vores formål, og vi har desuden ikke en robust kvantitativ forståelse af faser af KCD endnu.”Men hvis bevisoverflader af Uhecr’ er er protoner, mener Tomaras, at det er” næsten uundgåeligt”, at sådanne eksotiske fænomener forekommer i naturen.

hvad fremskynder dem?

bortset fra manglen på sikkerhed omkring, hvad Uhecr ‘ er er, er spørgsmålet, der virkelig betyder noget,: hvad gør dem? Her er billedet endnu mere forvirret. Indtil for nylig udforskede nogle fysikere eksotiske ideer kendt som “top-ned-modeller”, der går ud over standardmodellen. Tanken er, at højenergi, ukendte genstande som supertungt mørkt stof-med masser 1012 gange større end protonmassen – ville henfalde til UHECR – partikler. Fangsten med disse modeller er, at de antyder, at kosmiske stråler skal domineres af fotoner og neutrinoer, mens data fra Pierre Auger Observatory, Telescope Array og andre steder antyder for det meste ladede partikler. “Ingen forsøger at bygge eksotiske modeller af den klassiske top-ned-opsætning længere,” forklarer Engel.

selvom det eksotiske mørke stofscenarie ikke er helt udelukket som kilden til Uhecr ‘ er, overvejer forskere mere alvorligt, om ekstremt voldelige astrofysiske begivenheder i stedet kan være ansvarlige for sådanne høje energier. Pulsarer, gamma-ray bursts, jetfly fra aktive galaktiske kerner, starburst galakser og andre er blevet foreslået, med populær mening svingende mellem dem.Roberto Aloisio fra Gran Sasso Science Institute i Italien mener, at Auger ‘ s resultater på pålydende værdi – hvilket tyder på tungere UHECR – partikler ved de højeste energier-er en vigtig udvikling. “Det er lettere at accelerere tunge kerner end protoner, fordi accelerationsmekanismerne altid føler partiklernes elektriske ladning – og kerner tungere end protoner har altid større elektrisk ladning,” forklarer han. Som et resultat foreslår Aloisio, at Sneglepunkter mod pulsarer som kilde til Uhecr ‘ er, der producerer tungere elementer og kunne drive disse partikler til den krævede energi (Prog. Theor. Eksp. Phys. 2017 12A102).

i øjeblikket er der dog en kandidat, der ligger foran alle andre som kilde til Uhecr ‘ er. “Hvis jeg skulle satse på, ville jeg helt sikkert lægge alle mine penge i starburst-galakser,” siger Luis Anchordoki fra City University, som er medlem af Det 500-stærke Auger-hold. Starburst galakser er de mest lysende i universet og danner stjerner med en rasende hastighed. Som Anchordoki og kolleger først antog i 1999, accelererer nærliggende starburst-galakser kerner til ultrahøje energier gennem en kollektiv indsats, der kombinerer adskillige supernovaeksplosioner i det centrale tætte område af galaksen for at skabe en galaktisk skala “supervind” af udstrømmende gas.

efterhånden som denne supervind udvides, bliver den mindre tæt og bremser strømmen ned til subsonisk hastighed – i virkeligheden stopper udviklingen af supervinden selv. “Dette producerer en gigantisk chokbølge, der ligner den, der blev produceret efter eksplosionen af en atombombe, men meget kraftigere,” siger Anchordoki.

afgørende kan denne proces med diffusiv stødaccelerator eller DSA piske gaspartikler op til nær lysets hastighed. Partikler får energi trinvist ved at være begrænset af magnetfelter og krydse og krydse stødfronten. Når de går rundt og rundt om den astrofysiske accelerator, opbygges disse små energiforøgelser, indtil partiklen når flugthastigheden og flyver ud i rummet. I forbindelse med Auger ‘ s seneste fund (Phys. Rev. D 97 063010).

DSA, som ikke kun forekommer i starburst-galakser, påberåbes ofte for at forklare foreslået partikelacceleration i gammastråleudbrud, aktive galaktiske kerner og andre UHECR-kildekandidater. Men i begyndelsen af 2018 viste Kohta Murase og hans samarbejdspartnere fra Penn State University, at en anden accelerationsmekanisme kunne være i spil (Phys. Rev. D 97 023026).

i deres model får almindelige kosmiske stråler, der findes i en bestemt galakse, en enorm energiforøgelse af kraftige stråler af aktive galaktiske kerner gennem en mekanisme kendt som diskret forskydningsacceleration. Det er en kompleks proces, der involverer interaktionen mellem partiklen, lokale forstyrrelser i magnetfeltet og hastighedsforskellen – eller “forskydning” – af forskellige dele af strålens strømning og omgivende kokon. Men i sidste ende svarer effekten til DSA. “De kosmiske stråler får energi via spredning frem og tilbage omkring forskydningsgrænsen,” forklarer Murase, hvorefter de undslipper gennem radioloberne, der ofte findes i slutningen af strålerne.

endnu mere for nylig, Murase og Ke Fang fra University of Maryland (Nature Phys. 14 396) revideret en ide om, at kraftige sorte hulstråler i aggregater af galakser kunne drive UHECRs. Til at begynde med sammenlignede de deres model med Augers observerede UHECR-strømnings-og kompositionsdata, hvilket afslørede et godt match med eksperimentelle observationer. Men mest spændende viste de, at ved at specificere, hvordan Uhecr ‘ er, neutrinoer og gammastråler alle kunne produceres af aktive galaktiske kerner, kunne de forklare de data, der blev indsamlet af IceCube Neutrino Observatory i Antarktis, Fermi Gamma-ray Space Telescope og Auger samtidigt. “Den smukkeste mulighed er, at alle tre messenger-partikler stammer fra den samme klasse af kilder,” tilføjer Murase.

hvor kommer de fra?

Hvis vi vidste, hvor i himlen UHECRs kommer fra, Ville opgaven med at vælge, hvilken kilde der producerede dem, være meget lettere. Men der er ikke sådan noget som “let” i kosmisk strålevidenskab. Uforfærdet, Auger og Telescope Array forskere bruger kataloger over potentielle kandidatobjekter, der kan accelerere Uhecr ‘ er og derefter forsøge at matche dem med ankomstretningerne for de kosmiske stråler, de observerer. Efterhånden som flere og flere data ankommer, har begge faciliteter hver identificeret et område, hvorfra en stor del af disse stråler ser ud til at stamme.

i tilfælde af Auger indeholder dette område et antal starburst – galakser, men også Centaurus A-den nærmeste gigantiske galakse til Mælkevejen, der er vært for en aktiv galaktisk kerne. Hvad angår Teleskoparrayet, er dets” hot spot”, der ligger lige under håndtaget på Ursa Major constellation, en endnu klarere indikation af en ankomstretning, med en fjerdedel af detekterede UHECR-signaler, der kommer fra en 40-liters cirkel, der kun udgør 6% af himlen. Men selvom starburst-galaksen M82 befinder sig i hot spot, omkring 12 millioner lysår væk i Ursa Major, forskellige andre typer objekter i den plet af himlen kunne også være et UHECR-fødested.

“korrelationen er i retning af M82, hvis du vil sige, at det er starburst galakser, eller det er retningen af Centaurus A, hvis du vil have det til at være aktive galaktiske kerner,” siger Engel. “Selvom dataene korrelerer bedre med starburst-galakser, betyder det ikke, at de vil være kilderne.”

ligesom vi ikke ved, hvad Uhecr ‘ er er, eller hvad der fremskynder dem, så hvor i himlen de stammer fra, er også indhyllet fra visningen. Det kan dog ikke vare længe, før vi finder svaret. Opgraderinger til Pierre Auger Observatory og Telescope Array er i gang, mens forskere udforsker nye faciliteter, såsom sonden af ekstreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) satellitter.

mysteriet om massen og oprindelsen af disse gådefulde partikler kunne inden for et årti endelig blive afsløret.