Langt, langt borte, noe – et sted-skaper partikler med galne mengder energi. Uansett hva de er eller hvor de er fra, kan disse partiklene være alt mellom 1018 eV og 1020 eV. Gitt at topppartikkelenergien på Cerns Large Hadron Collider er omtrent 1013 eV, er noen av disse partiklene en million ganger mer energiske enn noe vi kan mote på den kraftigste partikkelakseleratoren på planeten. Ganske enkelt er de de mest energiske partiklene som noensinne er sett i naturen.Kjent Som ultrahøy-energi kosmiske stråler (UHECRs), ble disse partiklene oppdaget i 1962. De er de super-energiske brødrene av felles-eller-hage kosmiske stråler, som først ble oppdaget av Østerriksk forsker Victor Hess under en berømt serie dristige luftballongflyvninger 50 år tidligere. Men mens vi vet mye om vanlige kosmiske stråler, Hva UHECRs er laget av, hvor i himmelen de kommer fra og hva akselererer dem forblir et mysterium.

Heldigvis regner Noen UHECRs noen ganger ned på planeten Jorden. Når en slik stråle kommer inn i atmosfæren, kolliderer den med luftmolekyler, som igjen banker inn i andre partikler, noe som resulterer i en kaskadeffekt helt til bakken. Resultatet er en dusj av partikler spredt over et område 5 km bredt på Jordens overflate. Og Takket Være Pierre Auger Observatory I Argentina og Telescope Array I Utah, kan vi oppdage disse dusjer og trekke ut informasjon om de kosmiske strålene selv.

begge anleggene består Av en rekke overflatedetektorer – i Tilfelle Av Auger, 1660 store fat hver med over 12 000 liter vann spredt over 3000 km2. Når en partikkel fra en dusj flyr inn i en detektor, skaper den en elektromagnetisk sjokkbølge som hentes av lysdetekterende rør montert på detektorens tanker. Forskere kan da kombinere denne informasjonen med data fra 27 teleskoper prikket i hele arrayet som samler fluorescenslyset opprettet når kaskaden spenner nitrogen i luften.

denne kombinerte teknikken gir et nøyaktig mål på fluksen, ankomstretningen og energien Til UHECRs. Og i fjor, Som et resultat av dette arbeidet, Viste Pierre Auger-forskere utvetydig at De kraftigste kosmiske strålene kommer fra Utenfor Milky Way, ikke fra vår galakse (Science 357 1266). Med tanke på at vi har kjent om kosmiske stråler i over et århundre, kan dette gjennombruddet virke underwhelming og litt forsinket. I virkeligheten reflekterer det imidlertid den enorme utfordringen forskerne står overfor. Kosmiske stråler med en energi over 1020 eV land – i gjennomsnitt-bare en gang per kvadratkilometer på Jorden per århundre.

Kosmiske stråler med en energi over 1020 eV land – i gjennomsnitt-bare en gang per kvadratkilometer På Jorden per århundre

Hva er UHECRs laget av?

Data samlet over flere tiår viser at lav-energi kosmiske stråler-som hovedsakelig er protoner, kjerner og elektroner – ser ut til å komme fra alle retninger på himmelen. Forskere tilskriver dette spredningen til strålene som avbøyes i alle retninger av magnetfeltene som gjennomsyrer vår galakse, som utelukker alt håp om å nullstille seg direkte på deres kilde. UHECRs er en annen sak. De driver gjennom galaktiske magnetfelt så godt at de avbøyes med bare noen få grader. «Vi kan bruke dem som astronomiske budbringere for å finne kildene direkte,» forklarer Ralph Engel, talsmann For Pierre Auger Observatory.under EN UHECR-luftdusj involverer kaskadeffekten flere og flere partikler ettersom dusjen skyter gjennom atmosfæren. Imidlertid mister hver interaksjon energi, noe som betyr at antall dusjpartikler begynner å avta, med bare en liten brøkdel som når bakken. Men ved å vite hvordan luftdusjen sprer seg i atmosfæren, Kan Forskere simulere partikkelinteraksjonene for å utlede hvor i atmosfæren dusjen var på topp. Og ved å kombinere dusjens toppverdi med den målte dusjenergien, kan De utlede Massen – og dermed identiteten – Til UHECRs.

Da Auger-forskere brukte denne metoden, forventet de at de Høyeste energi Uhecrene bare var laget av protoner. I stedet fant de noe merkelig. Som Energien Til UHECRs økte fra 1018 eV til 1020 eV, så gjorde massen. «Vi starter med mange protoner rundt 1019 eV,» forklarer Engel. «Så plutselig er det en drastisk endring i helium og deretter elementer i området karbon og nitrogen.»økningen AV UHECRS masse etter hvert som strålene blir mer energiske, er et problem for både eksperimenter og teoretikere. Det som er vanskelig for Auger-forskere er at tyngre UHECRs blir avbøyet mer Av Melkeveiens magnetfelt, noe som gjør det enda mer utfordrende å trene sin kilde. For teoretikere Som Vasiliki Pavlidou Fra Universitetet På Kreta, derimot, er problemet mer grunnleggende: det kan utfordre hele vår forståelse av høy energi fysikk. «Hvis de primære partiklene ved de høyeste energiene faktisk blir tyngre, er det et par ubehagelige tilfeldigheter som vi må akseptere,» sier hun.

ifølge konvensjonell visdom, kosmiske stråler over en viss energi raskt miste energi som de samhandler med fotoner i kosmisk mikrobølgeovn bakgrunn, noe som betyr at energien UHECRs sett På Jorden bør være begrenset til ca 1020 eV. Men hvis de observerte partiklene blir tyngre med energi, må den astrofysiske prosessen som akselererer kosmiske stråler i utgangspunktet – uansett hva det er – løpe nær sin toppenergi. (De lettere partiklene vil da bare være for små til å nå de høye energiene.) 1020 EV UHECR – energigrensen styres derfor av to helt urelaterte prosesser: hvordan partiklene akselereres ved sin ekstragalaktiske kilde og hvordan de mister energi når de reiser gjennom interstellare rom. Det er den første merkelige tilfeldigheten.den andre tilfeldigheten er å gjøre med kosmiske stråler fra vår galakse og de som kommer fra andre steder. Det ser ut til at galaktiske kosmiske stråler slutter å bli observert ved 3 × 1018 eV-akkurat den samme energien som ekstragalaktiske kosmiske stråler begynner å bli tyngre med energi. Det er rart gitt at galaktiske og ekstragalaktiske kosmiske stråler kommer fra svært forskjellige kilder (selv om vi fortsatt ikke vet hvor sistnevnte kommer fra).

Gitt at disse to tilfeldighetene er avhengige av prosesser og egenskaper som ikke engang er vagt relaterte, hvorfor skjer de på samme energiskalaer? En grunn kan være at disse tilfeldighetene rett og slett ikke eksisterer. Det ville sikkert være tilfelle hvis ekstragalaktiske kosmiske stråler ikke blir tyngre med energi, men er bare alltid protoner; tilfeldighetene vil da bare falme bort. Faktisk, Pavlidou og Hennes Kreta kollega Theodore Tomaras regner Med At UHECRs kan være hovedsakelig protoner, den eneste ulempe er det måtte være noen nye uoppdagede fysiske fenomen som påvirker luft dusjer over en viss energi.

Det kan høres utlandsk, men det er god grunn til ikke å avvise ideen direkte. Fysikere modellerer hvordan partiklene i luftdusjen samhandler basert på deres forståelse Av Standardmodellen for partikkelfysikk, men den har aldri blitt testet (selv ved LHC) ved så høye energier. Videre faller disse simuleringene langt unna å forklare alle de observerte luftdusjegenskapene. Så du har to ubehagelige valg. Enten kosmiske stråler er protoner og ny fysikk gjør dem til å virke tunge. Eller UHECRs er tunge partikler, Og Standardmodellen trenger litt seriøs tilpasning.Men Hvis UHECRs er protoner, vil det å finne ut hvordan protoner kan maskeres som tyngre partikler kreve litt alternativ tenkning. En spennende mulighet er at protonens første kollisjon produserer et mini svart hull, hvis eksistens er spådd av teorier med store ekstra dimensjoner. «For riktig antall slike dimensjoner kan de faktisk ha ønsket masse,» forklarer Tomaras. «Mini sorte hull vil forfalle øyeblikkelig til et stort antall hadroner som deler det svarte hullets energi, noe som gjør proton primære «utseende» tungt.»

Ser på himmelen fra under vann

Et annet alternativ ville være å påberope eksistensen av som ennå uoppdagede faser av kvantekromodynamikk (QCD)-teorien som beskriver hvordan kvarker er bundet inne i protoner, nøytroner og andre hadroner. Tomaras innrømmer imidlertid at disse er «eksotiske» scenarier. «Vi har ennå ikke oppdaget store ekstra dimensjoner,» sier han, » og vi har grunn til å mistenke at produksjonstverrsnittet av mini sorte hull vil mest sannsynlig være for lite til å tjene vårt formål, og vi har heller ikke en robust kvantitativ forståelse av fasene TIL QCD ennå. Men Hvis bevisflater Av UHECRs er protoner, Mener Tomaras Det er «nesten uunngåelig» at slike eksotiske fenomener forekommer i naturen.

hva akselererer dem?

Når man Ser bort fra mangelen på sikkerhet rundt Hva UHECRs er, er spørsmålet som virkelig betyr noe: hva gjør Dem? Her er bildet enda mer forvirret. Inntil nylig utforsket noen fysikere eksotiske ideer kjent som «top-down-modeller» som går utover Standardmodellen. Tanken er at høy-energi, ukjente objekter som super-tung mørk materie – med masser 1012 ganger større enn protonmassen – ville forfall ned TIL UHECR-partikler. Fangsten med disse modellene er at de foreslår at kosmiske stråler skal domineres av fotoner og nøytriner, mens data fra Pierre Auger Observatory, Telescope Array og andre steder tyder på det meste ladede partikler. «Ingen prøver å bygge eksotiske modeller av det klassiske topp-down-oppsettet lenger,» forklarer Engel.Selv om det eksotiske mørke materiescenariet ikke er helt utelukket som Kilden Til UHECRs, vurderer forskere mer seriøst om ekstremt voldelige astrofysiske hendelser i stedet kan være ansvarlige for slike høye energier. Pulsarer, gammaglimt, jets fra aktive galaktiske kjerner, starburstgalakser og andre har blitt foreslått, med populær mening svingende mellom dem.Roberto Aloisio Fra Gran Sasso Science Institute i Italia mener At Auger ‘ s resultater på pålydende – noe som tyder på tyngre UHECR – partikler ved høyeste energier-er en viktig utvikling. «Det er lettere å akselerere tunge kjerner enn protoner fordi akselerasjonsmekanismer alltid føler partikkelens elektriske ladning – og kjerner tyngre enn protoner har alltid større elektrisk ladning,» forklarer han. Som et resultat foreslår Aloisio Skruepunkter mot pulsarer som Kilde Til UHECRs, som produserer tyngre elementer og kan drive disse partiklene til den nødvendige energien (Prog. Theor. Exp. Phys. 2017 12A102).

For Tiden er det imidlertid en kandidat som ligger foran alle andre som Kilde Til UHECRs. «Hvis jeg måtte satse, ville jeg definitivt sette alle pengene mine i starburst galaxies,» sier Luis Anchordoqui fra City University Of New York, som er medlem av Det 500-sterke Auger-teamet. Starburstgalakser er de mest lysende i universet, og danner stjerner med en rasende hastighet. Som Anchordoqui og kolleger først antydet i 1999, akselererer nærliggende starburstgalakser kjerner til ultrahøye energier gjennom en kollektiv innsats, som kombinerer mange supernovaeksplosjoner i den sentrale tette regionen av galaksen for å skape en galaktisk skala «superwind» av utstrømmende gass.

når denne supervinden utvides, blir den mindre tett, noe som senker strømmen ned til subsonisk hastighet-i kraft, stopper fremdriften av supervinden selv. «Dette gir en gigantisk sjokkbølge, som ligner den som produseres etter eksplosjonen av en atombombe, men mye kraftigere,» sier Anchordoqui.Denne prosessen med diffusiv sjokkakselerator, ELLER DSA, kan Piske opp gasspartikler til nær lysets hastighet. Partikler får energi trinnvis ved å være begrenset av magnetfelt, og krysser og krysser sjokkfronten. Går rundt og rundt den astrofysiske akseleratoren, bygger disse små energiøkningene opp til partikkelen når flukthastighet og flyr ut i rommet. Anchordoqui har nylig revidert arbeidet i sammenheng med Augers siste funn (Phys. Åp D 97 063010).DSA, som ikke bare forekommer i starburstgalakser, blir ofte påkalt for å forklare foreslått partikkelakselerasjon i gammaglimt, aktive galaktiske kjerner og ANDRE UHECR-kildekandidater. Likevel i begynnelsen av 2018 viste Kohta Murase og hans samarbeidspartnere fra Penn State University at en annen akselerasjonsmekanisme kunne være på spill (Phys. Åp D 97 023026).i deres modell får vanlige kosmiske stråler som eksisterer i en bestemt galakse en enorm energiforhøyelse av kraftige stråler av aktive galaktiske kjerner, gjennom en mekanisme kjent som diskret skjærakselerasjon. Det er en kompleks prosess som involverer samspillet mellom partikkelen, lokale forstyrrelser i magnetfeltet og hastighetsforskjellen-eller «skjær» – av forskjellige deler av strålens strømning og omgivende kokong. Men til slutt er effekten lik DSA. «De kosmiske strålene får energi via spredning frem og tilbake rundt skjærgrensen,» forklarer Murase, hvoretter De unnslipper gjennom radiolobene som ofte finnes i enden av strålene.Enda mer nylig, Murase Og Ke Fang fra University Of Maryland (Nature Phys. 14 396) revisited en ide om at kraftige sorte hullstråler i aggregater av galakser kunne drive UHECRs. Til å begynne med sammenlignet de modellen med Auger observerte UHECR flux og komposisjonsdata, og avslørte en god kamp med eksperimentelle observasjoner. Men mest spennende viste de at ved å detaljere hvordan UHECRs, nøytriner og gammastråler alle kunne produseres av aktive galaktiske kjerner, kunne de forklare dataene samlet av IceCube Neutrino Observatory I Antarktis, Fermi Gamma-ray Space Telescope og Auger samtidig. «Den vakreste muligheten er at alle tre messenger partikler stammer fra samme klasse kilder,» legger Murase Til.

Hvor kommer de fra?

Hvis Vi visste hvor I himmelen UHECRs kommer fra, oppgaven med å velge hvilken kilde produsert dem ville være mye enklere. Men det er ikke noe slikt som «lett» i kosmisk strålevitenskap. Forskere bruker kataloger av potensielle kandidatobjekter som kan akselerere UHECRs og deretter prøve å matche Dem med ankomstretningene til de kosmiske strålene de observerer. Etter hvert som flere og flere data kommer, har begge anleggene identifisert et område hvorfra en stor andel av disse strålene ser ut til å stamme fra.

Når Det Gjelder Auger, inneholder dette området en rekke starburstgalakser, men Også Centaurus A-den nærmeste gigantiske galaksen Til Melkeveien som er vert for en aktiv galaktisk kjerne. Når Det gjelder Teleskopoppstillingen, er dens «hot spot», som ligger like under håndtaket Til Ursa Major-konstellasjonen, en enda klarere indikasjon på en ankomstretning, med en fjerdedel av oppdagede UHECR-signaler som kommer fra en 40° sirkel som bare utgjør 6% av himmelen. Men selv om starburst-galaksen M82 ligger i hot spot, ca 12 millioner lysår unna I Ursa Major, kan forskjellige andre typer objekter i den plassen av himmelen også VÆRE ET UHECR-fødested.»korrelasjonen er i retning Av M82 hvis du vil si at det er starburstgalakser, eller det er Retningen Til Centaurus A, hvis du vil at den skal være aktive galaktiske kjerner,» sier Engel. «Selv om dataene korrelerer bedre med starburstgalakser, betyr det ikke at de vil være kildene.»

Akkurat som Vi ikke vet Hva Uhecr er eller hva som akselererer dem, så hvor i himmelen de kommer fra, er også innhyllet fra utsikten. Det kan imidlertid ikke vare lenge før vi finner svaret. Oppgraderinger Til Pierre Auger Observatory og Telescope Array pågår, mens forskere utforsker nye anlegg, for eksempel Sonden Av Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) satellitter.mysteriet om massen og opprinnelsen til disse gåtefulle partiklene kunne, innen et tiår, endelig bli avslørt.