messze, messze, valami-valahol-őrült energiájú részecskéket hoz létre. Bármi legyen is az, vagy bárhol is legyenek, ezek a részecskék bármi lehetnek 1018 eV és 1020 eV között. Tekintettel arra, hogy a CERN nagy Hadronütköztetőjének felső részecske-energiája körülbelül 1013 eV, ezeknek a részecskéknek egy része milliószor energikusabb, mint bármi, amit a bolygó legerősebb részecskegyorsítójában tudunk kialakítani. Egyszerűen, ők a legenergikusabb részecskék, amelyeket valaha láttak a természetben.

ultramagas energiájú kozmikus sugarak (UHECRs) néven ismertek, ezeket a részecskéket 1962-ben fedezték fel. Ők a közös vagy kerti kozmikus sugarak szuper-energikus testvérei, amelyeket először Victor Hess osztrák tudós észlelt egy híres hőlégballon-repülés során 50 évvel korábban. De miközben sokat tudunk a rendszeres kozmikus sugarakról, hogy milyen Uhecrsből készülnek, honnan jönnek az égből, és mi gyorsítja fel őket, rejtély marad.

szerencsére néhány UHECRs alkalmanként esik le a Föld bolygón. Amikor egy ilyen sugár belép a légkörbe, ütközik a légmolekulákkal, amelyek viszont más részecskékbe ütköznek, ami kaszkádhatást eredményez egészen a talajig. Az eredmény egy olyan részecskék zuhanyozása, amelyek a Föld felszínén 5 km széles területre terjednek. Az argentin Pierre Auger Obszervatóriumnak és a Utah-i teleszkópnak köszönhetően ezeket a záporokat észlelhetjük, és információkat nyerhetünk magukról a kozmikus sugarakról.

mindkét létesítmény felszíni detektorokból áll – csiga esetében 1660 nagy hordó, amelyek mindegyike több mint 12 000 liter vizet tartalmaz 3000 km2-en. Amikor egy részecske a zuhanyból egy detektorba repül, elektromágneses lökéshullámot hoz létre, amelyet az érzékelő tartályaira szerelt fényérzékelő csövek vesznek fel. A kutatók ezt az információt 27 teleszkóp adataival kombinálhatják a tömbben, amelyek összegyűjtik a fluoreszcens fényt, amelyet akkor hoznak létre, amikor a kaszkád gerjeszti a nitrogént a levegőben.

Ez a kombinált technika pontos mérést ad az UHECRs fluxusáról, érkezési irányáról és energiájáról. Tavaly ennek a munkának köszönhetően Pierre Auger kutatói egyértelműen kimutatták, hogy a legerősebb kozmikus sugarak a Tejútrendszeren kívülről származnak, nem pedig galaxisunkból (Science 357 1266). Figyelembe véve, hogy már több mint egy évszázada tudunk a kozmikus sugarakról, ez az áttörés underwhelmingnek tűnhet, és egy kicsit esedékes. A valóságban azonban tükrözi a kutatók óriási kihívását. Kozmikus sugarak, amelyek energiája meghaladja az 1020 eV földet – átlagosan – csak egyszer négyzetkilométerenként a Földön évszázadonként.

kozmikus sugarak, amelyek energiája meghaladja az 1020 eV földet – átlagosan – csak egyszer négyzetkilométerenként a Földön évszázadonként

miből készülnek az UHECRs?

az évtizedek során összegyűjtött adatok azt bizonyítják, hogy az alacsony energiájú kozmikus sugarak-amelyek többnyire protonok, atommagok és elektronok – úgy tűnik, hogy az ég minden irányából származnak. A tudósok ezt a sugárzást tulajdonítják annak, hogy a galaxisunkat Áthatoló mágneses mezők minden irányban elhajlanak, ami kizárja az összes reményt, hogy a forrásukat közvetlenül nullázzák. Az UHECRs egy másik kérdés. Olyan jól táplálják a Galaktikus mágneses mezőket, hogy csak néhány fokkal eltérítik őket. “Csillagászati hírvivőként használhatjuk őket, hogy közvetlenül megtalálják a forrásokat” – magyarázza Ralph Engel, a Pierre Auger Obszervatórium szóvivője.

UHECR légzuhany alatt a kaszkádhatás egyre több részecskét foglal magában, mivel a zuhany a légkörön keresztül kaszál. Azonban minden kölcsönhatás elveszíti az energiát, ami azt jelenti, hogy a zuhanyrészecskék száma csökkenni kezd, csak egy kis frakció érte el a talajt. De azzal, hogy tudjuk, hogyan terjed a légzuhany a légkörben, a csiga és a teleszkóp tömb kutatói képesek szimulálni a részecskék kölcsönhatásait, hogy kiderítsék, hol volt a légkörben a zuhany csúcspontja. A zuhany csúcsértékének a mért zuhanyenergiával való kombinálásával az UHECRs tömegét – így identitását – következtethetik.

amikor Auger tudósok alkalmazták ezt a módszert, azt várták, hogy a legnagyobb energiájú UHECRs egyszerűen protonokból készül. Ehelyett valami furcsát találtak. Mivel az uhecrs energiája 1018 eV-ről 1020 eV-re nőtt, így a tömeg is. “Sok protonnal kezdjük az 1019 eV körül” – magyarázza Engel. “Aztán hirtelen drasztikus változás következett be a héliumban, majd a szén-és nitrogéntartományban.”

az UHECR tömegének növekedése, mivel a sugarak energikusabbá válnak, mind a kísérletezők, mind a teoretikusok számára problémát jelent. A Csigatudósok számára az a trükkös, hogy a nehezebb UHECRs-eket jobban eltérítik a Tejút mágneses mezői, ami még nagyobb kihívást jelent a forrás kidolgozásához. Az olyan teoretikusok számára, mint Vasiliki Pavlidou, a kréta Egyetem, viszont a probléma alapvetőbb: megkérdőjelezheti a nagy energiájú fizika teljes megértését. “Ha a legmagasabb energiák elsődleges részecskéi valóban nehezebbé válnak, akkor néhány kellemetlen véletlen egybeesést el kell fogadnunk” – mondja.

a hagyományos bölcsesség szerint a kozmikus sugarak egy bizonyos energia felett gyorsan elveszítik az energiát, mivel kölcsönhatásba lépnek a kozmikus mikrohullámú háttér fotonjaival, ami azt jelenti, hogy a Földön látott UHECRs energiáját körülbelül 1020 eV-re kell korlátozni. Ha azonban a megfigyelt részecskék egyre nehezebbek az energiával, akkor az asztrofizikai folyamat, amely elsősorban felgyorsítja a kozmikus sugarakat – bármi is legyen az–, a felső energiájához közel kell futnia. (A könnyebb részecskék ezután egyszerűen túl vékonyak lesznek ahhoz, hogy elérjék ezeket a nagy energiákat.) A 1020 eV UHECR energia-határ ezért szabályozza két teljesen független folyamatok: milyen a részecskék felgyorsult a extragalactic forrás hogyan veszítenek energiát, mint utaznak keresztül a csillagközi térben. Ez az első furcsa véletlen.

a második véletlen egybeesés a galaxisunkból származó kozmikus sugarakkal, valamint azokkal, amelyek máshonnan származnak. Úgy tűnik, hogy a galaktikus kozmikus sugarak 3 × 1018 eV – nél nem figyelhetők meg-pontosan ugyanaz az energia, amellyel az extragalaktikus kozmikus sugarak egyre nehezebbé válnak az energiával. Ez különös tekintettel arra, hogy a Galaktikus és extragalaktikus kozmikus sugarak nagyon különböző forrásokból származnak (még akkor is, ha még mindig nem tudjuk, honnan származnak az utóbbiak).

Tekintettel arra, hogy e két véletlen függ folyamatok, majd a tulajdonságok, amelyek nem is homályosan kapcsolódó, miért történik ugyanabban az energia mérleg? Ennek egyik oka lehet, hogy ezek a véletlenek egyszerűen nem léteznek. Ez minden bizonnyal így lenne, ha az extragalaktikus kozmikus sugarak nem nehezebbé válnak az energiával, hanem csak mindig protonok; a véletlen egybeesések ezután csak elhalványulnak. Pavlidou és Krétai kollégája, Theodore Tomaras szerint az UHECRs elsősorban protonok lehetnek, az egyetlen probléma, hogy ott kell lennie egy új, felfedezetlen fizikai jelenségnek, amely egy bizonyos energia felett befolyásolja a légzuhanyokat.

ez furcsán hangzik, de jó ok van arra, hogy ne utasítsuk el az ötletet. A fizikusok modellezik, hogy a légzuhanyban lévő részecskék hogyan hatnak egymásra a részecskefizika Standard modelljének megértése alapján, de még soha nem tesztelték (még az LHC-n is) ilyen nagy energiákon. Ráadásul ezek a szimulációk messze elmaradnak az összes megfigyelt levegő-zuhany tulajdonság magyarázatától. Tehát van két páratlan választási lehetősége. Vagy a kozmikus sugarak protonok, és az új fizika miatt nehéznek tűnnek. Vagy UHECRs nehéz részecskék, és a Standard modell szüksége van néhány komoly csípés.

de ha az UHECRs protonok, kitalálni, hogyan lehet a protonokat nehezebb részecskéknek álcázni, alternatív gondolkodásra lesz szükség. Az egyik izgalmas lehetőség az, hogy a proton kezdeti ütközése mini fekete lyukat hoz létre, amelynek létezését nagy extra dimenziókkal rendelkező elméletek jósolják. “Az ilyen méretek megfelelő számához valóban rendelkezhetnek a kívánt tömeggel” – magyarázza Tomaras. “A Mini fekete lyukak azonnal nagyszámú hadronra bomlanak, amelyek megosztják a fekete lyuk energiáját, így a proton elsődleges “nehéznek” tűnik.”

az égre nézve a víz alatt

egy másik alternatíva a kvantum-kromodinamika még fel nem fedezett fázisainak (QCD) létezésére utalna-az elmélet, amely leírja, hogy a kvarkok hogyan kötődnek a protonok, neutronok és más hadronokban. Tomaras azonban elismeri, hogy ezek “egzotikus” forgatókönyvek. “Még nem fedeztünk fel nagy extra dimenziókat-mondja -, és okunk van arra gyanakodni, hogy a mini fekete lyukak gyártási keresztmetszete valószínűleg túl kicsi lesz a célunk kiszolgálásához, továbbá még nem rendelkezünk robusztus mennyiségi megértéssel a QCD fázisairól.”Azonban, ha bizonyíték felületek UHECRs hogy protonok, Tomaras úgy véli, hogy “szinte elkerülhetetlen”, hogy az ilyen egzotikus jelenségek fordulnak elő a természetben.

mi gyorsítja őket?

figyelmen kívül hagyva az uhecrs körüli bizonyosság hiányát, a kérdés, ami igazán számít: mi teszi őket? Itt a kép még zavarosabb. Egészen a közelmúltig néhány fizikus olyan egzotikus ötleteket fedezett fel, amelyeket “felülről lefelé modelleknek” neveznek, amelyek túlmutatnak a szokásos modellen. Az ötlet az, hogy a nagy energiájú, ismeretlen tárgyak, például a szuper-nehéz sötét anyag-a proton tömegénél 1012 – szer nagyobb tömeggel – uhecr részecskékké bomlanak le. Ezekkel a modellekkel az a fogás, hogy azt sugallják, hogy a kozmikus sugarakat fotonok és neutrínók uralják, míg a Pierre Auger Obszervatórium, a teleszkóp tömb és másutt többnyire töltött részecskék. “Senki sem próbál többé egzotikus modelleket építeni a klasszikus felülről lefelé” – magyarázza Engel.

bár az egzotikus sötét anyag forgatókönyvét nem teljesen kizárták az UHECRs forrásaként, a kutatók komolyabban fontolgatják, hogy a rendkívül erőszakos asztrofizikai események felelősek-e az ilyen magas energiákért. Pulzárokat, gammasugár-kitöréseket, aktív galaktikus magokból, csillagkitörő Galaxisokból és másokból származó sugárhajtóműveket javasoltak, a közhiedelemmel ellentétben.

Roberto Aloisio az olaszországi Gran Sasso Tudományos intézetből úgy véli, hogy névértéken Auger eredményei – amelyek a legmagasabb energiájú nehezebb UHECR részecskékre utalnak – fontos fejlemény. “Könnyebb felgyorsítani a nehéz atommagokat, mint a protonokat, mert a gyorsulási mechanizmusok mindig érzik a részecskék elektromos töltését – a protonoknál nehezebb magok pedig mindig nagyobb elektromos töltéssel rendelkeznek” – magyarázza. Ennek eredményeként az Aloisio azt javasolja, hogy az Uhecrs forrása a pulzárok felé mutasson, amelyek nehezebb elemeket termelnek, és ezeket a részecskéket a szükséges energiához (Prog. Theor. Felh. Phys. 2017 12A102).

jelenleg azonban van egy jelölt, aki az összes többi előtt áll, mint az UHECRs forrása. “Ha fogadnom kellene, minden pénzemet csillagpolimer galaxisokba helyezném” – mondja Luis Anchordoqui, A New York-i Városi Egyetem, aki az 500 fős Auger csapat tagja. Csillagpolimer galaxisok a legfényesebb az univerzumban, alkotó csillagok dühös sebességgel. Amint azt Anchordoqui és kollégái először 1999-ben feltételezték, a közeli csillagkitörő galaxisok kollektív erőfeszítéssel felgyorsítják az atommagokat az ultramagas energiákra, kombinálva számos szupernóva robbanást a galaxis központi sűrű régiójában, hogy galaktikus léptékű “szuperszél” jöjjön létre a kiáramló gázból.

ahogy ez a szuperszél kitágul, kevésbé sűrűvé válik, lassul a szubszonikus sebességre – hatás, megállítva maga a szuperszél előrehaladását. “Ez egy hatalmas lökéshullámot eredményez, hasonlóan az atombomba robbanása után előállított hullámhoz, de sokkal erősebb” – mondja Anchordoqui.

alapvetően ez a diffúz lökésgyorsító vagy DSA folyamat a gázrészecskéket a fénysebesség közelébe képes felkap. A részecskék fokozatosan nyerik az energiát azáltal, hogy mágneses mezőkre korlátozódnak, és keresztezik és keresztezik a lökésfrontot. Körbejárva az asztrofizikai gyorsítót, ezek a kis energia megnöveli a felépülést, amíg a részecske el nem éri a menekülési sebességet, és ki nem repül az űrbe. Anchordoqui nemrégiben felülvizsgálta a munkát Auger legújabb megállapításaival (Phys. Rev.D 97 063010).

DSA, amely nem csak akkor fordul elő csillagkeletkezési galaxisok, gyakran hivatkoztak, hogy magyarázza javasolt részecskegyorsító a gammasugár-kitörés, aktív galaktikus magok, illetve egyéb UHECR forrás jelöltek. 2018 elején azonban Kohta Murase és a Penn Állami Egyetem munkatársai megmutatták, hogy egy másik gyorsítási mechanizmus lehet a játékban (Phys. Rev.D 97 023026).

modelljükben az adott galaxisban létező rendes kozmikus sugarak hatalmas energia-lendületet kapnak az aktív galaktikus magok erőteljes fúvókáival, egy diszkrét nyírási gyorsításnak nevezett mechanizmuson keresztül. Ez egy összetett folyamat, amely magában foglalja a részecske kölcsönhatását, a mágneses tér helyi zavarait, valamint a sugáráram és a környezeti gubó különböző részeinek sebességkülönbségét – vagy “nyírását”. De végül a hatás hasonló a DSA-hoz. “A kozmikus sugarak energiát nyernek, ha oda-vissza szétszóródnak a nyírási határ körül” – magyarázza Murase, majd elmenekülnek a rádió lebenyeken keresztül, amelyek gyakran megtalálhatók a fúvókák végén.

még újabban Murase és Ke Fang a Marylandi Egyetemen (Nature Phys. 14 396) újra felvetette azt az elképzelést, hogy a galaxisok aggregátumaiban erős fekete lyuksugarak táplálhatják az UHECRs-t. Kezdetben összehasonlították a modelljüket Auger megfigyelt UHECR fluxus-és összetételadataival, feltárva a kísérleti megfigyelésekkel való jó összhangot. De leginkább azt mutatták, hogy az Uhecr-ek, neutrínók és gamma-sugarak aktív galaktikus atommagok által történő előállításának részletezésével megmagyarázhatják az antarktiszi IceCube Neutrino Obszervatórium, a Fermi Gamma-ray Űrteleszkóp és a Auger által gyűjtött adatokat. “A legszebb lehetőség az, hogy mindhárom hírvivő részecske ugyanabból a forrásból származik” – teszi hozzá Murase.

honnan származnak?

ha tudnánk, honnan származik az égen az uhecrs, akkor sokkal könnyebb lenne kiválasztani, hogy melyik forrás készítette őket. De nincs olyan dolog, mint a” könnyű ” a kozmikus ray tudományban. Rettenthetetlen, Csiga and Telescope Array tudósok használják, katalógusok potenciális jelölt tárgyakat, hogy lehet gyorsítani UHECRs majd próbálja meg egyezik meg az érkezés irányban a kozmikus sugarak, hogy tartsa. Ahogy egyre több adat érkezik, mindkét létesítmény azonosított egy olyan területet, ahonnan ezeknek a sugaraknak nagy része származik.

Auger esetében ez a terület számos csillagkitörő galaxist tartalmaz, de a Centaurus A – A legközelebbi óriás galaxis a Tejúthoz, amely aktív galaktikus magot hordoz. Ami a teleszkóp tömböt illeti, annak” forró pontja”, amely közvetlenül az Ursa Major konstelláció fogantyúja alatt fekszik, még világosabban jelzi az érkezési irányt, az észlelt UHECR jelek negyede egy 40° – os körből származik, amely az égnek csak 6% – át teszi ki. De bár a csillagpolimer galaxis M82 lakik a hot spot, ról ről 12 millió fényévnyire Ursa Major, különböző más típusú tárgyak, hogy a folt az ég is lehet UHECR szülőhelye.

“a korreláció az M82 irányába mutat, ha azt akarja mondani, hogy csillagpolimerek, vagy a Centaurus A iránya, ha azt akarja, hogy aktív galaktikus magok legyenek” – mondja Engel. “Bár az adatok jobban korrelálnak a csillagpolimer galaxisokkal, ez nem jelenti azt, hogy ők lesznek a források.”

ahogy nem tudjuk, mi az UHECRs, vagy mi gyorsítja őket, így ahol az égen származnak, a nézetből is elfedik. Előfordulhat azonban, hogy nem sokkal azelőtt, hogy megtaláljuk a választ. A Pierre Auger Obszervatórium és a teleszkóp-tömb fejlesztése folyamatban van, míg a kutatók új létesítményeket vizsgálnak, például az Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) műholdak szondáját.

ezeknek a rejtélyes részecskéknek a tömegének és eredetének rejtélye egy évtizeden belül végre feltárulhatott.