daleko, daleko, coś – gdzieś – tworzy cząstki o szalonych ilościach energii. Niezależnie od tego, skąd pochodzą, te cząstki mogą mieć wartość od 1018 eV do 1020 EV. Biorąc pod uwagę, że górna energia cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN wynosi około 1013 eV, niektóre z tych cząstek są milion razy bardziej energiczne niż cokolwiek, co możemy stworzyć w najpotężniejszym akceleratorze cząstek na planecie. Po prostu są najbardziej energetycznymi cząsteczkami, jakie kiedykolwiek widziano w przyrodzie.

znane jako ultrawysokiej energii promieniowania kosmicznego (UHECRs), cząstki te zostały odkryte w 1962 roku. Są super energicznymi braćmi promieni kosmicznych, które zostały po raz pierwszy zauważone przez austriackiego naukowca Victora Hessa podczas słynnej serii brawurowych lotów balonem 50 lat wcześniej. Ale chociaż wiemy wiele o regularnym promieniowaniu kosmicznym, to z czego powstają Uhecr, skąd pochodzą w niebiosach i co je przyspiesza pozostaje tajemnicą.

na szczęście niektóre Uhecry czasami padają na ziemię. Kiedy jeden taki promień wchodzi do atmosfery, zderza się z cząsteczkami powietrza, które z kolei uderzają w inne cząstki, powodując efekt kaskadowy aż do ziemi. Rezultatem jest deszcz cząstek rozłożonych na obszarze o szerokości 5 km przy powierzchni Ziemi. Dzięki Obserwatorium Pierre ’ a Augera w Argentynie i teleskopowi w Utah możemy wykryć te deszcze i wydobyć informacje o promieniowaniu kosmicznym.

oba obiekty składają się z szeregu detektorów powierzchniowych – w przypadku Augera, 1660 dużych beczek każda z ponad 12 000 litrów wody rozrzuconych na 3000 km2. Kiedy cząstka z prysznica wleci do detektora, tworzy elektromagnetyczną falę uderzeniową, która jest odbierana przez lampy wykrywające światło zamontowane na zbiornikach detektora. Naukowcy mogą następnie połączyć te informacje z danymi z 27 teleskopów rozsianych po całej tablicy, które zbierają światło fluorescencyjne utworzone, gdy kaskada wzbudza azot w powietrzu.

ta połączona technika daje dokładny pomiar strumienia, kierunku przybycia i energii UHECRs. A w zeszłym roku, w wyniku tej pracy, naukowcy Pierre Auger jednoznacznie wykazali, że najpotężniejsze promienie kosmiczne pochodzą spoza Drogi Mlecznej, a nie z naszej galaktyki (Nauka 357 1266). Biorąc pod uwagę, że wiemy o promieniowaniu kosmicznym od ponad wieku, ten przełom może wydawać się rozczarowujący i nieco spóźniony. W rzeczywistości jednak odzwierciedla to ogromne wyzwanie, przed którym stoją badacze. Promienie kosmiczne o energii powyżej 1020 EV lądują-średnio-tylko raz na kilometr kwadratowy ziemi na stulecie.

promienie kosmiczne o energii powyżej 1020 eV ziemi – średnio – tylko raz na kilometr kwadratowy ziemi na wiek

z czego zbudowane są Uhecr?

dane zebrane przez dziesięciolecia dowodzą, że niskoenergetyczne promienie kosmiczne-które są głównie protonami, jądrami i elektronami – wydają się pochodzić ze wszystkich kierunków na niebie. Naukowcy przypisują to rozprzestrzenianiu się promieniom odchylanym we wszystkich kierunkach przez pola magnetyczne przenikające naszą galaktykę, co wyklucza wszelką nadzieję na bezpośrednie dotarcie do ich źródła. Uhecr to inna sprawa. Zasilają one galaktyczne pola magnetyczne tak dobrze, że są odchylane tylko o kilka stopni. „Możemy użyć ich jako posłańców astronomicznych, aby bezpośrednio znaleźć źródła”, wyjaśnia Ralph Engel, rzecznik Obserwatorium Pierre Auger.

podczas uhecr air shower efekt kaskadowy angażuje coraz więcej cząstek, ponieważ kosy prysznicowe przechodzą przez atmosferę. Jednak każda interakcja traci energię, co oznacza, że liczba cząstek prysznica zaczyna spadać, a tylko niewielka część dociera do ziemi. Ale wiedząc, jak strumień powietrza rozprzestrzenia się w atmosferze, badacze Auger i teleskopu mogą symulować interakcje cząstek, aby wywnioskować, gdzie w atmosferze deszcz był w szczytowym momencie. A łącząc wartość szczytową prysznica z zmierzoną energią prysznica, mogą wywnioskować masę – a tym samym tożsamość-UHECRs.

kiedy naukowcy Auger zastosowali tę metodę, spodziewali się, że Uhecr o najwyższej energii będą po prostu zbudowane z protonów. Zamiast tego znaleźli coś dziwnego. Ponieważ energia UHECRs wzrosła z 1018 eV do 1020 eV, podobnie jak masa. „Zaczynamy z dużą ilością protonów około 1019 eV”, wyjaśnia Engel. „Nagle następuje drastyczna zmiana Helu, a następnie pierwiastków w zakresie węgla i azotu.”

wzrost masy UHECR, gdy promienie stają się bardziej energiczne, jest problemem zarówno dla eksperymentatorów, jak i teoretyków. Dla naukowców z firmy Auger trudne jest to, że cięższe Uhecr są bardziej odchylane przez pole magnetyczne Drogi Mlecznej, co sprawia, że jeszcze trudniejsze jest znalezienie ich źródła. Dla teoretyków, takich jak Vasiliki Pavlidou z Uniwersytetu Krety, z drugiej strony, problem jest bardziej fundamentalny: może zakwestionować całe nasze zrozumienie fizyki wysokich energii. „Jeśli pierwotne cząstki o najwyższych energiach są rzeczywiście coraz cięższe, istnieje kilka niewygodnych zbiegów okoliczności, które musimy zaakceptować”, mówi.

zgodnie z konwencjonalną mądrością, promienie kosmiczne powyżej pewnej energii szybko tracą energię, gdy oddziałują z fotonami w kosmicznym mikrofalowym tle, co oznacza, że energia Uhecr widziana na ziemi powinna być ograniczona do około 1020 eV. Jeśli jednak obserwowane cząstki stają się cięższe od energii, to proces Astrofizyczny przyspieszający promieniowanie kosmiczne – cokolwiek to jest – musi przebiegać blisko swojej najwyższej energii. (Lżejsze cząstki będą wtedy po prostu zbyt słabe, aby osiągnąć te wysokie Energie.) Granica energii UHECR 1020 EV jest zatem regulowana przez dwa całkowicie niepowiązane ze sobą procesy: jak cząstki są przyspieszane w ich pozagalaktycznym źródle i jak tracą energię podczas podróży przez przestrzeń międzygwiezdną. To pierwszy dziwny zbieg okoliczności.

drugi przypadek dotyczy promieni kosmicznych z naszej galaktyki i tych, które pochodzą z innych stron. Wydaje się, że galaktyczne promienie kosmiczne przestają być obserwowane przy 3 × 1018 eV – dokładnie tej samej energii, przy której pozagalaktyczne promienie kosmiczne zaczynają się zwiększać wraz z energią. To dziwne, biorąc pod uwagę, że galaktyczne i pozagalaktyczne promienie kosmiczne pochodzą z bardzo różnych źródeł (nawet jeśli nadal nie wiemy, skąd pochodzą te ostatnie).

biorąc pod uwagę, że te dwa zbiegi okoliczności zależą od procesów i właściwości, które nie są nawet niejasno powiązane, dlaczego zachodzą w tych samych skalach energetycznych? Jednym z powodów może być, że te zbiegi okoliczności po prostu nie istnieją. Z pewnością byłoby tak, gdyby pozagalaktyczne promienie kosmiczne nie były cięższe od energii, ale zawsze były protonami; zbiegi okoliczności po prostu znikną. Rzeczywiście, Pavlidou i jej kreteński kolega Theodore Tomaras uważają, że UHECRs mogą być głównie protonami, jedynym problemem tam musiałoby być jakieś nowe nieodkryte zjawisko fizyczne, które wpływa na ulewy powietrza powyżej pewnej energii.

To może zabrzmieć dziwnie, ale jest dobry powód, aby nie odrzucać tego pomysłu wprost. Fizycy modelują, jak cząstki w strumieniu powietrza oddziałują na siebie w oparciu o ich zrozumienie standardowego modelu fizyki cząstek, ale nigdy nie był on testowany (nawet w LHC) przy tak wysokich energiach. Co więcej, symulacje te znacznie nie wyjaśniają wszystkich zaobserwowanych właściwości natrysku powietrza. Więc masz dwie nie do zaakceptowania opcje. Albo promienie kosmiczne są protonami, a nowa fizyka sprawia, że wydają się ciężkie. Albo Uhecr to ciężkie cząstki, A standardowy Model wymaga poważnych poprawek.

ale jeśli Uhecr są protonami, odkrycie, w jaki sposób protony mogą maskować się jako cięższe cząstki, będzie wymagało alternatywnego myślenia. Jedną z ekscytujących możliwości jest to, że początkowe zderzenie protonu powoduje powstanie mini czarnej dziury, której istnienie przewidują teorie o dużych dodatkowych wymiarach. „Dla odpowiedniej liczby takich wymiarów mogą one rzeczywiście mieć pożądaną masę”, wyjaśnia Tomaras. „Mini czarne dziury rozpadłyby się natychmiast do dużej liczby Hadronów dzielących energię czarnej dziury, sprawiając, że Proton główny „wygląda” na ciężki.”

patrząc na niebo spod wody

inną alternatywą byłoby powołanie się na istnienie jeszcze nieodkrytych faz chromodynamiki kwantowej (QCD)-teorii opisującej, w jaki sposób kwarki są związane wewnątrz protonów, neutronów i innych Hadronów. Tomaras przyznaje jednak, że są to” egzotyczne ” scenariusze. „Nie odkryliśmy jeszcze dużych dodatkowych wymiarów”, mówi, ” i mamy powody podejrzewać, że przekrój produkcji mini czarnych dziur będzie najprawdopodobniej zbyt mały, aby służyć naszemu celowi,a ponadto nie mamy jeszcze solidnego ilościowego zrozumienia faz QCD.”Jeśli jednak dowody na to, że UHECRs są protonami, Tomaras uważa, że jest „prawie nieuniknione”, że takie egzotyczne zjawiska występują w przyrodzie.

co je przyspiesza?

pomijając brak pewności co do tego, czym są Uhecr, ważne jest pytanie: co je czyni? Tutaj obraz jest jeszcze bardziej zagmatwany. Do niedawna niektórzy fizycy badali egzotyczne idee znane jako” modele odgórne”, które wykraczają poza Model Standardowy. Chodzi o to, że wysokoenergetyczne, nieznane obiekty, takie jak super ciężka ciemna materia-o masach 1012 razy większych niż masa protonu – rozpadłyby się na cząstki UHECR. Haczyk w tych modelach polega na tym, że sugerują, że promieniowanie kosmiczne powinno być zdominowane przez fotony i neutrina, podczas gdy dane z Obserwatorium Pierre Auger, teleskopu i innych miejsc sugerują głównie naładowane cząstki. „Nikt już nie próbuje budować egzotycznych modeli klasycznych, top-down set-up”, wyjaśnia Engel.

chociaż Egzotyczny scenariusz ciemnej materii nie został całkowicie wykluczony jako źródło Uhecr, naukowcy bardziej poważnie rozważają, czy ekstremalnie gwałtowne wydarzenia Astrofizyczne mogą być odpowiedzialne za tak wysokie Energie. Zaproponowano pulsary, rozbłyski gamma, dżety z aktywnych jąder galaktyk, galaktyki gwiezdne i inne, z popularną opinią kołyszącą się między nimi.

Roberto Aloisio z Instytutu Naukowego Gran Sasso we Włoszech uważa, że na wartości nominalnej wyniki Augera – sugerujące cięższe cząstki UHECR o najwyższych energiach – są ważnym osiągnięciem. „Łatwiej jest przyspieszać ciężkie jądra niż protony, ponieważ mechanizmy przyspieszania zawsze odczuwają ładunek elektryczny cząstek – a jądra cięższe od protonów zawsze mają większy ładunek elektryczny”, wyjaśnia. W rezultacie Aloisio sugeruje, że Auger wskazuje na pulsary jako źródło Uhecr, które wytwarzają cięższe pierwiastki i mogą napędzać te cząstki do wymaganej energii (Prog. Theor. Exp. Phys. 2017 12A102).

obecnie jest jednak jeden kandydat, który wyprzedza wszystkich innych jako źródło UHECRs. „Gdybym miał się założyć, na pewno włożyłbym wszystkie moje pieniądze w Gwiezdne galaktyki”, mówi Luis Anchordoqui Z City University of New York, który jest członkiem 500-osobowego zespołu Auger. Galaktyki Starburst są najbardziej świetlistymi galaktykami we wszechświecie, tworząc gwiazdy w szalonym tempie. Jak Anchordoqui i współpracownicy po raz pierwszy postawili hipotezę w 1999 roku, pobliskie galaktyki odpalające przyspieszają jądra do ultrawysokich energii dzięki wspólnemu wysiłkowi, łącząc liczne wybuchy supernowych w centralnym gęstym obszarze galaktyki, aby stworzyć „superwind” wypływającego gazu w skali galaktycznej.

gdy ten superwind się rozszerza, staje się mniej gęsty, spowalniając przepływ do prędkości poddźwiękowej – w efekcie zatrzymując postęp samego superwind. „Powoduje to gigantyczną falę uderzeniową, podobną do tej powstałej po wybuchu bomby atomowej, ale znacznie potężniejszą”, mówi Anchordoqui.

co najważniejsze, ten proces dyfuzyjnego akceleratora wstrząsów, lub DSA, może wzbudzać cząstki gazu do prędkości zbliżonej do prędkości światła. Cząstki zyskują energię stopniowo, będąc ograniczane przez pola magnetyczne oraz przecinając i ponownie przecinając przód wstrząsu. Krążąc wokół akceleratora astrofizycznego, te małe wzmocnienia energii narastają, aż cząstka osiągnie prędkość ucieczki i poleci w Przestrzeń Kosmiczną. Anchordoqui niedawno zrewidował pracę w kontekście najnowszych odkryć Augera (Phys. Rev. D 97 063010).

DSA, który występuje nie tylko w galaktykach Gwiezdnych, jest często przywoływany w celu wyjaśnienia proponowanego przyspieszenia cząstek w rozbłyskach gamma, aktywnych jądrach galaktyk i innych kandydatach UHECR. Jednak na początku 2018 roku Kohta Murase i jego współpracownicy z Penn State University pokazali, że w grę może wejść inny mechanizm przyspieszania (Phys. Rev.D 97 023026).

w swoim modelu zwykłe promienie kosmiczne istniejące w danej galaktyce otrzymują ogromny zastrzyk energii przez potężne dżety aktywnych jąder galaktyk, dzięki mechanizmowi określanemu jako dyskretne przyspieszenie ścinania. Jest to złożony proces polegający na oddziaływaniu cząstki, lokalnych zaburzeniach w polu magnetycznym oraz różnicy prędkości – lub „ścinaniu” – różnych części przepływu strumienia i kokonu otoczenia. Ale w końcu efekt jest podobny do DSA. „Promienie kosmiczne zyskują energię poprzez rozpraszanie tam iz powrotem wokół granicy ścinania”, wyjaśnia Murase, po czym uciekają przez płaty radiowe, które często znajdują się na końcu dżetów.

jeszcze niedawno Murase i Ke Fang z University of Maryland (Nature Phys. 14 396) ponownie przyjrzał się idei, że potężne dżety czarnych dziur w skupiskach galaktyk mogą zasilać UHECRs. Na początek porównali swój model z obserwowanymi przez Augera danymi dotyczącymi strumienia UHECR i składu, ujawniając dobre dopasowanie do obserwacji eksperymentalnych. Ale co najciekawsze, pokazali, że szczegółowo opisując, w jaki sposób Uhecr, neutrina i promienie gamma mogą być wytwarzane przez aktywne jądra galaktyk, mogliby wyjaśnić dane zebrane przez obserwatorium neutrin IceCube na Antarktydzie, Kosmiczny Teleskop Fermiego Gamma i Auger jednocześnie. „Najpiękniejszą możliwością jest to, że wszystkie trzy cząstki posłańców pochodzą z tej samej klasy źródeł”, dodaje Murase.

skąd się biorą?

gdybyśmy wiedzieli skąd na niebie pochodzą Uhecr, zadanie wyboru, które źródło je wyprodukowało byłoby o wiele łatwiejsze. Ale w nauce o promieniowaniu kosmicznym nie ma czegoś takiego jak „łatwe”. Niezauważeni, Auger i Teleskop Array naukowcy używają katalogów potencjalnych potencjalnych obiektów, które mogłyby przyspieszyć UHECRs, a następnie starają się dopasować je do kierunków przybycia promieniowania kosmicznego, które obserwują. W miarę jak przybywa coraz więcej danych, oba obiekty zidentyfikowały obszar, z którego wydaje się pochodzić duża część tych promieni.

w przypadku Augera obszar ten zawiera wiele galaktyk odpalających gwiazdy, ale także Centaurus A – najbliższą galaktykę olbrzymią do Drogi Mlecznej, w której znajduje się aktywne jądro galaktyki. Jeśli chodzi o układ teleskopów, jego „hot spot”, który znajduje się tuż pod uchwytem głównej konstelacji Ursy, jest jeszcze wyraźniejszym wskazaniem kierunku przybycia, z ćwierć wykrytych sygnałów UHECR pochodzących z okręgu 40°, który stanowi tylko 6% nieba. Ale chociaż galaktyka M82 znajduje się w gorącym miejscu, oddalonym o około 12 milionów lat świetlnych w Ursa Major, różne inne typy obiektów na tym skrawku nieba mogą być również miejscem narodzin UHECR.

„korelacja jest w kierunku M82, jeśli chcesz powiedzieć, że są to galaktyki odpalające gwiazdy, lub w kierunku Centaura A, jeśli chcesz, aby były to aktywne jądra galaktyk”, mówi Engel. „Chociaż dane lepiej korelują z galaktykami starburst, nie oznacza to, że będą one źródłami.”

tak jak nie wiemy co to są Uhecr i co je przyspiesza, tak też skąd się biorą na niebie. Jednak nie może upłynąć wiele czasu, zanim znajdziemy odpowiedź. Trwają prace nad modernizacją Obserwatorium Pierre Auger i teleskopu Array, podczas gdy naukowcy badają nowe obiekty, takie jak sonda ekstremalnych satelitów astrofizycznych (POEMMA).

tajemnica masy i pochodzenia tych enigmatycznych cząstek może w ciągu dekady wreszcie zostać obnażona.