Far, far away, something – somewhere – luo hiukkasia, joissa on järjettömiä määriä energiaa. Olivatpa ne mistä tahansa, nämä hiukkaset voivat olla mitä tahansa 1018 eV: n ja 1020 eV: n väliltä. Koska CERNin Large Hadron Colliderin hiukkasenergia on noin 1013 eV, jotkin näistä hiukkasista ovat miljoona kertaa energisempiä kuin mikään, mitä voimme muotoilla planeetan tehokkaimmalla hiukkaskiihdyttimellä. Ne ovat energisimpiä hiukkasia, mitä luonnossa on nähty.

tunnetaan nimellä ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs), nämä hiukkaset löydettiin vuonna 1962. He ovat tavallisten tai puutarhojen kosmisten säteiden superenergisiä veljiä, jotka itävaltalainen tiedemies Victor Hess havaitsi ensimmäisen kerran kuuluisalla kuumailmapallolentojen sarjalla 50 vuotta aiemmin. Mutta vaikka me tiedämme paljon säännöllisistä kosmisista säteistä, mistä Uhekrit on tehty, mistä päin taivasta ne tulevat ja mikä niitä kiihdyttää, jää mysteeriksi.

onneksi joitakin Uhekeja sataa ajoittain maapallolle. Kun yksi tällainen säde saapuu ilmakehään, se törmää ilmamolekyyleihin, jotka puolestaan törmäävät muihin hiukkasiin, mikä johtaa kaskadivaikutukseen aina maahan asti. Tuloksena on hiukkassuihku, joka leviää 5 km leveälle alueelle maan pinnalla. Argentiinan Pierre Augerin observatorion ja Utahin teleskoopin ansiosta voimme havaita nämä suihkut ja saada tietoa itse kosmisista säteistä.

molemmat tilat koostuvat pinta – ilmaisimien joukosta-Augerin tapauksessa 1660 suurta tynnyriä, joissa kummassakin on yli 12 000 litraa vettä 3000 km2: n alueella. Kun hiukkanen suihkusta lentää ilmaisimeen, se luo sähkömagneettisen shokkiaallon, jonka havaitsevat ilmaisimen säiliöihin asennetut valoa havaitsevat putket. Tutkijat voivat sitten yhdistää tämän tiedon 27 teleskoopin tietoihin, jotka on siroteltu eri puolille kenttää ja jotka keräävät fluoresenssivaloa, joka syntyy, kun kaskadi nostaa ilmaan typpeä.

tällä yhdistelmätekniikalla saadaan tarkka mitta Uhecrien vuosta, tulosuunnasta ja energiasta. Ja viime vuonna tämän työn tuloksena Pierre Augerin tutkijat osoittivat yksiselitteisesti, että voimakkaimmat kosmiset säteet tulevat Linnunradan ulkopuolelta, eivät galaksimme sisältä (Science 357 1266). Ottaen huomioon, että olemme tienneet kosmisista säteistä yli vuosisadan, tämä läpimurto voi tuntua yllättävältä ja hieman myöhässä. Todellisuudessa se kuitenkin heijastaa tutkijoiden valtavaa haastetta. Kosmiset säteet, joiden energia on yli 1020 eV, laskeutuvat maapallolle keskimäärin vain kerran neliökilometriä kohden vuosisadassa.

kosmiset säteet, joiden energia ylittää 1020 eV maan – keskimäärin – vain kerran neliökilometrillä maapallolla vuosisadassa

mistä Uhekrit on tehty?

vuosikymmenien aikana kerätyt tiedot todistavat, että matalaenergiset kosmiset säteet-jotka ovat enimmäkseen protoneja, ytimiä ja elektroneja – näyttävät tulevan kaikista taivaan suunnista. Tiedemiehet uskovat tämän leviämisen johtuvan siitä, että galaksimme läpi kulkevat magneettikentät kääntävät säteitä joka suuntaan, mikä sulkee pois kaiken toivon siitä, että niiden alkulähdettä voitaisiin koskaan kohdistaa suoraan. Uhecr: t ovat toinen asia. Ne läpäisevät galaktiset magneettikentät niin hyvin, että ne taipuvat vain muutaman asteen verran. ”Voimme käyttää niitä tähtitieteellisinä sanansaattajina löytääksemme lähteet suoraan”, selittää Pierre Augerin observatorion tiedottaja Ralph Engel.

UHECR-ilmasuihkun aikana kaskadivaikutukseen liittyy yhä enemmän hiukkasia suihkun kiikkuessa ilmakehän läpi. Jokainen vuorovaikutus kuitenkin menettää energiaa, jolloin suihkuhiukkasten määrä alkaa vähentyä, jolloin vain pieni murto-osa päätyy maahan. Mutta tietämällä, miten ilmasuihku leviää ilmakehässä, Kaira-ja Teleskooppirivistön tutkijat voivat simuloida hiukkasten vuorovaikutuksia päättääkseen, missä ilmakehässä suihku oli suurimmillaan. Ja yhdistämällä suihkun huippuarvo mitattuun suihkuenergiaan, he voivat päätellä uhecrs: n massan – ja siten identiteetin.

kun Augerin tutkijat sovelsivat tätä menetelmää, he odottivat korkeaenergiaisimpien Uhekrien muodostuvan yksinkertaisesti protoneista. Sen sijaan he löysivät jotain outoa. Kun uhecrien energia kasvoi 1018 eV: stä 1020 eV: hen, niin myös massa. ”Aloitamme paljon protoneja noin 1019 eV”, Engel selittää. ”Sitten yhtäkkiä, on raju muutos helium ja sitten alkuaineiden välillä hiilen ja typen.”

UHECRIN massan kasvu säteiden muuttuessa energisemmiksi on ongelma sekä kokeellisille että teoreetikoille. Auger-tutkijoille hankalaa on se, että raskaammat Uhecr: t taipuvat enemmän Linnunradan magneettikenttien vaikutuksesta, mikä tekee niiden lähteen selvittämisestä entistä haastavampaa. Kreetan yliopiston Vasiliki Pavlidoun kaltaisille teoreetikoille ongelma on sen sijaan perustavanlaatuisempi: se voisi haastaa koko ymmärryksemme korkeaenergiafysiikasta. ”Jos korkeimpien energioiden primaarihiukkaset todellakin painuvat, on pari ikävää yhteensattumaa, jotka meidän on hyväksyttävä”, hän sanoo.

tavanomaisen viisauden mukaan tietyn energian yläpuolella olevat kosmiset säteet menettävät nopeasti energiaa, kun ne vuorovaikuttavat kosmisen mikroaaltotaustan fotonien kanssa, mikä tarkoittaa, että maassa nähtävien Uhekrien energia tulisi rajoittaa noin 1020 eV. Mutta jos havaitut hiukkaset muuttuvat energialtaan raskaammiksi, astrofysikaalisen prosessin, joka kiihdyttää kosmisia säteitä – mikä se sitten onkin – täytyy olla lähellä huippuenergiaansa. (Kevyemmät hiukkaset ovat silloin yksinkertaisesti liian mitättömiä saavuttaakseen nuo suuret energiat.) 1020 EV UHEKR-energiarajaa säätelee siis kaksi täysin toisiinsa liittymätöntä prosessia: miten hiukkaset kiihtyvät ekstragalaktisessa lähteessään ja miten ne menettävät energiaa matkustaessaan tähtienvälisen avaruuden läpi. Ensimmäinen outo yhteensattuma.

toinen sattuma liittyy galaksimme sisältä tuleviin kosmisiin säteisiin ja muualta tuleviin. Vaikuttaa siltä, että galaktiset kosmiset säteet lakkaavat havaitsemasta 3 × 1018 eV: ssä – täsmälleen samalla energialla, jolla ekstragalaktiset kosmiset säteet alkavat tulla energialtaan raskaammiksi. Se on outoa ottaen huomioon, että galaktiset ja ekstragalaktiset kosmiset säteet tulevat hyvin eri lähteistä (vaikka emme vielä tiedä, mistä jälkimmäiset ovat peräisin).

ottaen huomioon, että nämä kaksi yhteensattumaa riippuvat prosesseista ja ominaisuuksista, jotka eivät ole edes epämääräisesti yhteydessä toisiinsa, miksi ne tapahtuvat samalla energia-asteikolla? Yksi syy voi olla se, että näitä yhteensattumia ei yksinkertaisesti ole olemassa. Näin varmasti olisi, jos ekstragalaktiset kosmiset säteet eivät tulisi energialtaan raskaammiksi, vaan ne olisivat vain aina protoneja; yhteensattumat sitten vain katoaisivat. Pavlidou ja hänen kreetalainen kollegansa Theodore Tomaras arvelevatkin, että Uhecrit voisivat olla pääasiassa protoneja, ainoa pulma on, että siellä olisi jokin uusi tuntematon fysikaalinen ilmiö, joka vaikuttaa tietyn energian yläpuolella oleviin ilmasuihkuihin.

Tämä saattaa kuulostaa omituiselta, mutta on hyvä syy olla hylkäämättä ajatusta suoralta kädeltä. Fyysikot mallintavat, miten ilmasuihkun hiukkaset vuorovaikuttavat perustuen heidän ymmärrykseensä hiukkasfysiikan standardimallista, mutta sitä ei ole koskaan testattu (edes LHC: ssä) näin suurilla energioilla. Lisäksi nämä simulaatiot eivät pysty selittämään kaikkia havaittuja ilmasuihkun ominaisuuksia. Sinulla on kaksi epämieluisaa vaihtoehtoa. Joko kosmiset säteet ovat protoneja ja uusi fysiikka saa ne näyttämään raskailta. Tai Uhecr: t ovat raskaita hiukkasia ja standardimalli vaatii vakavaa säätämistä.

mutta jos Uhecrit ovat protoneja, sen selvittäminen, miten protonit voisivat naamioitua raskaammiksi hiukkasiksi, vaatii vaihtoehtoista ajattelua. Yksi jännittävä mahdollisuus on, että protonin alkutörmäys tuottaa minimustan aukon, jonka olemassaoloa ennustetaan teorioilla, joilla on suuret lisäulottuvuudet. ”Oikea määrä tällaisia ulottuvuuksia voi todella olla haluttu massa”, Tomaras selittää. ”Pienet mustat aukot hajoaisivat välittömästi suureksi joukoksi hadroneja, jotka jakaisivat mustan aukon energian, jolloin protonin primaari ’näyttäisi’ raskaalta.”

taivaan katsominen veden alta

toinen vaihtoehto olisi vedota kvanttikromodynamiikan (QCD) toistaiseksi tutkimattomien faasien olemassaoloon-teoriaan, joka kuvaa kvarkkien sitomista protonien, neutronien ja muiden hadronien sisään. Tomaras kuitenkin myöntää, että kyse on” eksoottisista ” skenaarioista. ”Emme ole vielä löytäneet suuria lisäulottuvuuksia”, hän sanoo, ” ja meillä on syytä epäillä, että Minin mustien aukkojen tuotannon poikkileikkaus on todennäköisesti liian pieni tarkoitukseemme, ja lisäksi meillä ei ole vielä vankkaa kvantitatiivista käsitystä QCD: n vaiheista.”Jos kuitenkin todistavat pinnat siitä, että Uhecrit ovat protoneja, Tomaras uskoo, että on” lähes väistämätöntä”, että tällaisia eksoottisia ilmiöitä esiintyy luonnossa.

mikä niitä kiihdyttää?

ottamatta huomioon varmuuden puutetta koskien sitä, mitä Uhecr: t ovat, kysymys, joka todella merkitsee, on: mikä tekee ne? Täällä Kuva on vielä sekavampi. Viime aikoihin asti jotkut fyysikot tutkivat eksoottisia ideoita, joita kutsutaan ”ylhäältä alas-malleiksi”, jotka ylittävät standardimallin. Ajatuksena on, että korkeaenergiset, tuntemattomat kappaleet, kuten superraskas pimeä aine-jonka massat ovat 1012 kertaa suurempia kuin protonin massa-hajoaisivat UHECR – hiukkasiksi. Näiden mallien saalis on se, että ne viittaavat siihen, että kosmisia säteitä pitäisi hallita fotoneilla ja neutriinoilla, kun taas Pierre Augerin observatorion, teleskooppien ja muiden tietojen mukaan ne ovat enimmäkseen varautuneita hiukkasia. ”Kukaan ei enää yritä rakentaa eksoottisia malleja klassisesta ylhäältä alas-asetelmasta”, Engel selittää.

vaikka eksoottista pimeän aineen skenaariota ei ole täysin suljettu pois UHECRs: n lähteenä, tutkijat pohtivat vakavammin, voisivatko äärimmäisen väkivaltaiset astrofysikaaliset tapahtumat sen sijaan olla vastuussa näin korkeista energioista. On ehdotettu pulsareita, gammasäteilypurkauksia, aktiivisten galaktisten ytimien suihkuja, tähtisuihkugalakseja ja muita, joiden välillä yleinen mielipide heiluu.

Roberto Aloisio Gran Sasso – Tiedeinstituutista Italiasta uskoo, että nimellisarvoltaan Augerin tulokset – jotka viittaavat korkeimpien energioiden raskaampiin UHEKR-hiukkasiin-ovat tärkeä kehitysaskel. ”Raskaiden ytimien kiihdyttäminen on helpompaa kuin protonien, koska kiihtyvyysmekanismit tuntevat aina hiukkasten sähkövarauksen – ja protoneja raskaammilla ytimillä on aina suurempi sähkövaraus”, hän selittää. Tämän seurauksena Aloisio ehdottaa Augerin osoittavan kohti pulsareita Uhecrien lähteeksi, jotka tuottavat raskaampia alkuaineita ja voisivat ajaa nämä hiukkaset vaadittavaan energiaan (Prog. Theor. Käyt.viim. Liikuntaa. 2017 12A102).

tällä hetkellä on kuitenkin yksi ehdokas, joka on UHECRs: n lähteenä muita edellä. ”Jos minun pitäisi lyödä vetoa, Panisin ehdottomasti kaikki rahani tähtisyöksygalakseihin”, sanoo Luis Anchordoqui New Yorkin City-yliopistosta, joka kuuluu 500 hengen Auger-tiimiin. Tähtisyöksygalaksit ovat maailmankaikkeuden valovoimaisimpia, ja ne muodostavat tähtiä hurjalla vauhdilla. Kuten Anchordoqui ja kollegat esittivät ensimmäisen hypoteesin vuonna 1999, läheiset tähtisyöksygalaksit kiihdyttävät ytimiä ultrahuuriin energioihin yhteisellä ponnistuksella, yhdistämällä lukuisia supernovien räjähdyksiä galaksin tiheässä keskiosassa luodakseen galaktisen mittakaavan ”supertuulen” ulosvirtaavasta kaasusta.

tämän supertuulen laajetessa se harvenee, jolloin virtaus hidastuu aliääniseen nopeuteen, mikä pysäyttää itse supertuulen etenemisen. ”Tämä saa aikaan jättimäisen paineaallon, joka on samanlainen kuin ydinpommin räjähdyksen jälkeen, mutta paljon voimakkaampi”, sanoo Anchordoqui.

ratkaisevasti tämä Diffusoiva iskukiihdytin eli DSA voi lietsoa kaasuhiukkasia lähelle valonnopeutta. Hiukkaset saavat energiaa vähitellen, kun magneettikentät rajoittavat niitä ja risteävät ja kiertävät iskurintaman. Kiertäen ja kiertäen astrofysikaalista kiihdytintä nämä pienet energiabuustit kerääntyvät, kunnes hiukkanen saavuttaa pakonopeuden ja lentää avaruuteen. Anchordoqui tarkasteli hiljattain teosta Augerin uusimpien havaintojen (Phys. Rev. D 97 063010).

DSA, jota esiintyy muuallakin kuin tähtihyppygalakseissa, käytetään usein selityksenä ehdotettua hiukkaskiihdytystä gammasäteilypurkauksissa, aktiivisissa galaktisissa ytimissä ja muissa UHECR-lähdeehdokkaissa. Silti alkuvuodesta 2018, Kohta Murase ja hänen yhteistyökumppaninsa Penn State University osoitti, että eri kiihtyvyys mekanismi voisi olla pelissä (Phys. Rev. D 97 023026).

mallissaan tietyssä galaksissa olevat tavalliset kosmiset säteet saavat valtavan energiavaikutuksen aktiivisten galaktisten ytimien voimakkaista suihkuista diskreetiksi leikkauskiihdytykseksi kutsutun mekanismin kautta. Se on monimutkainen prosessi, johon liittyy hiukkasen vuorovaikutus, magneettikentän paikalliset häiriöt ja suihkukoneen virtauksen ja ympäristön kotelokopan eri osien nopeusero – tai ”leikkaus”. Mutta lopulta vaikutus on samanlainen kuin DSA. ”Kosmiset säteet saavat energiaa sirottelemalla edestakaisin leikkausrajan ympäri”, Murase selittää, minkä jälkeen ne pakenevat suihkujen päässä usein olevien radiolohkojen kautta.

vielä tuoreemmin Murase ja Ke Fang Marylandin yliopistosta (Nature Phys. 14 396) tarkasteli uudelleen ajatusta, että voimakkaat mustan aukon suihkut galaksien aggregaateissa voisivat virroittaa Uhecr: iä. Aluksi he vertasivat malliaan Augerin havaitsemiin UHECR-vuo-ja koostumustietoihin, paljastaen hyvän vastaavuuden kokeellisten havaintojen kanssa. Mutta kiinnostavimmin he osoittivat, että esittämällä yksityiskohtaisesti, miten aktiiviset galaktiset ytimet voivat tuottaa kaikki uhecr: t, neutriinot ja gammasäteet, he pystyivät selittämään Antarktiksella sijaitsevan Icecuben neutriino-observatorion, Fermin Gammasäteilyteleskoopin ja Augerin keräämät tiedot samanaikaisesti. ”Kaunein mahdollisuus on, että kaikki kolme viestihiukkasta ovat peräisin samasta lähteestä”, Murase lisää.

mistä ne tulevat?

jos tietäisimme, mistä taivaalta Uhecrit tulevat, olisi paljon helpompaa valita, mikä lähde ne tuotti. Mutta kosmisten säteiden tieteessä ei ole” helppoa”. Kaira-ja Teleskooppirivistön tutkijat käyttävät lannistumattomina luetteloita mahdollisista ehdokaskohteista, jotka voisivat kiihdyttää Uhecr: iä, ja yrittävät sitten sovittaa ne havaitsemiensa kosmisten säteiden saapumissuuntiin. Kun tietoa tulee yhä enemmän, molemmat laitokset ovat tunnistaneet alueen, jolta suuri osa näistä säteistä näyttää olevan peräisin.

Augerin tapauksessa alueella on useita tähtiryöppygalakseja, mutta myös Kentaurus A – Linnunrataa lähin jättiläisgalaksi, jossa on aktiivinen galaktinen ydin. Mitä Teleskooppirivistöön tulee, sen ”hot spot”, joka sijaitsee aivan Ursan major-tähdistön kahvan alapuolella, on vielä selkeämpi osoitus tulosuunnasta, sillä neljäsosa havaituista UHECR-signaaleista tulee 40° ympyrältä, joka muodostaa vain 6% taivaasta. Mutta vaikka tähtisyöksygalaksi M82 sijaitsee hot spot, Noin 12 miljoonan valovuoden päässä Ursa Major, useita muita kohteita, että laastari taivas voisi myös olla UHECR Syntymäpaikka.

”korrelaatio on M82: n suunnassa, jos haluat sanoa sen olevan tähtisyöksygalakseja, tai Kentaurus A: n suunnassa, jos haluat sen olevan aktiivisia galaktisia ytimiä”, Engel sanoo. ”Vaikka data korreloi paremmin tähtisyöksygalaksien kanssa, se ei tarkoita, että ne olisivat lähteitä.”

aivan kuten emme tiedä mitä Uhecrit ovat tai mikä niitä kiihdyttää, niin myös se, mistä taivaalta ne ovat peräisin, peittyy näkyvistä. Vastaus löytyy kuitenkin ehkä pian. Pierre Augerin observatorion ja Teleskooppirivistön päivitykset ovat käynnissä, kun taas tutkijat tutkivat uusia tiloja, kuten Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) – satelliittien luotainta.

näiden arvoituksellisten hiukkasten massan ja alkuperän arvoitus voitiin vuosikymmenen kuluessa vihdoin paljastaa.