Obrazový kredit: NASA
Astronomové věří, že výbuchy gama paprsků, nejsilnější exploze ve vesmíru, mohou generovat kosmické paprsky s vysokou energií, nejenergičtější částice ve vesmíru. Důkazy shromážděné NASA de-obíhající Compton Gamma-Ray Observatory ukázaly, že v jednom případě výbuchu gama paprsků tyto vysokoenergetické částice dominovaly oblasti, což mezi nimi spojovalo, ale to je jen stěží důkaz, že by byly přesvědčivě spojeny. .
Nejmocnější exploze ve vesmíru, výbuchy gama paprsků, mohou podle nové analýzy pozorování z Compton Gamma-Ray Observatory NASA generovat nejenergičtější částice ve vesmíru, známé jako ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs).
Výzkumníci referují ve 14. vydání časopisu Nature o nově identifikovaném vzoru ve světle těchto záhadných výbuchů, které lze vysvětlit protony pohybujícími se ve vlasové šíři rychlosti světla.
Tyto protony, jako šrapnel z exploze, by mohly být UHECR. Takové kosmické paprsky jsou vzácné a představují trvalé tajemství astrofyziky, zdánlivě popírající fyzické vysvětlení, protože jsou prostě příliš energetické, než aby byly generovány známými mechanismy, jako jsou výbuchy supernovy.
"Kosmické paprsky" zapomněli ", odkud pocházejí, protože na rozdíl od světla jsou ve vesmíru šlehány magnetickými poli," řekla vedoucí autorka Maria Magdalena Gonzalezová z Národní laboratoře Los Alamos v Novém Mexiku a postgraduální studentka na University of Wisconsin. "Tento výsledek je vzrušující šancí vidět, jak jsou produkovány u zdroje."
Záblesky gama paprsků - záhadní vědci se konečně začínají rozpadat - mohou zářit stejně brilantně jako milion bilionů sluncí a mnoho z nich může pocházet z neobvykle mocného typu explodující hvězdy. Záblesky jsou běžné, ale náhodné a prchavé, trvající pouze několik sekund.
Kosmické paprsky jsou atomové částice (například elektrony, protony nebo neutrina) pohybující se blízko rychlosti světla. Kosmické paprsky s nízkou energií bombardují Zemi neustále, poháněné slunečními erupcemi a typickými hvězdnými výbuchy. UHECR, s každou atomovou částicí nesoucí energii baseballu hozeného v hlavních ligách, jsou stok miliónkrát energetičtější než částice vyrobené v největších člověkem vyrobených urychlovačích částic.
Vědci tvrdí, že UHECR musí být generovány relativně blízko Země, protože jakákoli částice cestující dále než 100 miliónů světelných let by ztratila část své energie do doby, kdy se k nám dostane. Přesto se zdá, že žádný místní zdroj obyčejných kosmických paprsků není dostatečně silný, aby vytvořil UHECR.
Papír vedený Gonzalezem se nezaměřuje konkrétně na produkci UHECR, nýbrž na nový vzorec světla, který je vidět při výbuchu paprsků gama. Skupina se kopala hluboko do archivů Observatoř Compton (mise skončila v roce 2000) a zjistila, že výbuch gama paprsků z roku 1994, nazvaný GRB941017, se jeví odlišně od ostatních 2700 výbojů zaznamenaných touto kosmickou lodí. Tento výbuch byl umístěn ve směru souhvězdí Sagitta, šipka, asi deset miliard světelných let daleko.
Vědci nazývají gama paprsky fotony (světelné částice) pokrývající širokou škálu energií, ve skutečnosti více než milionkrát širší, než energie, které naše oči zaznamenávají jako barvy v duze. Gonzalezova skupina se zabývala fotony gama s vyšší energií. Vědci zjistili, že tyto typy fotonů dominovaly výbuchu: Byly v průměru nejméně třikrát výkonnější než složka s nízkou energií, ale překvapivě tisícekrát silnější asi po 100 sekundách.
To znamená, že zatímco tok fotonů s nižší energií dopadající na detektory satelitu se začal snižovat, tok fotonů s vyšší energií zůstal stabilní. Toto zjištění je v rozporu s populárním „synchrotronovým šokovým modelem“, který popisuje většinu dávek. Co by tedy mohlo vysvětlit toto obohacení fotonů s vyšší energií?
"Jedním vysvětlením je, že jsou zodpovědné ultra-vysokoenergetické kosmické paprsky, ale přesně to, jak vytvářejí gama paprsky s energetickými vzory, které jsme viděli, potřebuje hodně výpočtu," řekla Dr. Brenda Dingus z LANL, spoluautorka na papíře. "Budeme mít nějaké teoretiky plné ruce práce, aby se to pokusili zjistit."
Opožděné vstřikování ultraenergetických elektronů poskytuje další způsob, jak vysvětlit neočekávaně velký vysokoenergetický tok gama pozorovaný v GRB 941017. Toto vysvětlení by však vyžadovalo revizi standardního modelu roztržení, uvedl spoluautor Dr. Charles Dermer, teoretický astrofyzik v americké námořní výzkumné laboratoři ve Washingtonu. "V obou případech tento výsledek odhaluje nový proces, ke kterému dochází v dávkách gama paprsků," řekl.
Výboje gama paprsků nebyly detekovány pocházející ze 100 miliónů světelných let od Země, ale během věků se tyto typy výbuchů mohly vyskytnout lokálně. Pokud ano, řekl Dingus, mechanismus, který její skupina viděla v GRB 941017, mohl být duplikován blízko domu, dostatečně blízko, aby dodal UHECR, které dnes vidíme.
Podobné burzy v archivu observatoře Compton mohly mít podobnou strukturu, ale data nejsou přesvědčivá. Gama (NASA), kosmický vesmírný dalekohled (GLAST), který má být uveden na trh v roce 2006, bude mít detektory dostatečně výkonné, aby vyřešily fotony gama záření s vyšší energií a vyřešily toto tajemství.
Spoluautoři na zprávě Nature také zahrnují Ph.D. postgraduální student Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece a Dr. Michael Briggs z University of Alabama v Huntsville. Tento výzkum byl financován NASA a Office of Naval Research.
UHECR jsou pozorovány při nárazu do naší atmosféry, jak je znázorněno na obrázku. Energie z kolize vytváří vzduchovou sprchu miliard subatomových částic a záblesky ultrafialového světla, které jsou detekovány speciálními nástroji.
Národní vědecká nadace a mezinárodní spolupracovníci sponzorovali nástroje přímo na místě, jako je Fly's Eye s vysokým rozlišením v Utahu (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) a observatoř Auger v Argentině (http: / /www.auger.org/). Kromě toho NASA spolupracuje s Evropskou kosmickou agenturou na umístění vesmírné observatoře Extreme Universe (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) na Mezinárodní kosmickou stanici. Navrhovaná mise OWL by se z oběžné dráhy dívala dolů směrem k leteckým sprchám a sledovala tak velký region jako Texas.
Tito vědci zaznamenávají záblesky a sčítají subatomický šrapnel a pracují zpět, aby vypočítali, kolik energie potřebuje jedna částice k vytvoření atmosférické kaskády. Dostanou se k šokující hodnotě 10 ^ 20 elektron voltů (eV) nebo více. (Pro srovnání, energie v částici žlutého světla je 2 eV a elektrony ve vaší televizní trubici jsou v rozsahu tisíců elektronových voltů.)
Tyto ultra-vysokoenergetické částice zažívají bizarní efekty předpovídané Einsteinovou teorií speciální relativity. Pokud bychom je mohli pozorovat přicházející ze vzdáleného rohu vesmíru, řekněme o sto milionů světelných let daleko, museli bychom být trpěliví - dokončení cesty potrvá sto milionů let. Pokud bychom však mohli cestovat s částicemi, cesta skončila za méně než den kvůli dilataci času rychle se pohybujících objektů, měřeno pozorovatelem.
Kosmické paprsky s nejvyšší energií se k nám nemohou dostat, pokud jsou vyrobeny ze vzdálených zdrojů, protože se srazí a ztrácí energii s kosmickými mikrovlnnými fotony, které zbyly z velkého třesku. Zdroje těchto kosmických paprsků musíme najít relativně blízko nás, ve vzdálenosti několika stovek milionů světelných let. Hvězdy, které explodují jako výbuchy gama paprsků, se nacházejí v této vzdálenosti, takže probíhají intenzivní pozorovací snahy o nalezení zbytků roztržení gama paprsků, které se liší paprsky záření vytvořenými kosmickými paprsky.
Jen málo druhů nebeských objektů má extrémní podmínky potřebné k výbuchu částic na rychlosti UHECR. Pokud výbuchy gama paprsků produkují UHECR, pravděpodobně tak učiní urychlením částic ve proudech hmoty vystřelených z exploze při rychlosti blízké rychlosti světla. Gama záblesky mají sílu urychlit UHECR, ale dosud pozorované gama záblesky byly vzdálené, miliardy světelných let daleko. To neznamená, že se nemohou stát poblíž, v mezní vzdálenosti UHECR.
Vedoucím uchazečem o dlouhodobé druhy výbuchů gama paprsků, jako je GRB941017, je model supernova / kolaps. Supernovae se stane, když hvězda mnohokrát hmotnější než Slunce vyčerpá své palivo, což způsobí, že se její jádro zhroutí pod vlastní gravitací, zatímco jeho vnější vrstvy jsou odpáleny v ohromné termonukleární explozi. Collapsars jsou speciální typ supernovy, kde jádro je tak masivní, že se zhroutí do černé díry, objekt tak hustý, že nic, dokonce ani světlo, nemůže uniknout jeho gravitaci v horizontu události černé díry. Pozorování však naznačují, že černé díry jsou nedbalí jedlíci, vyhazující materiál, který prochází blízko, ale nepřekračuje jejich horizonty událostí.
V kolapsu tvoří jádro hvězdy kolem nově vytvořené černé díry disk materiálu, jako voda vířící kolem odtoku. Černá díra spotřebovává většinu disku, ale nějaká hmota je vystřelena tryskami z pólů černé díry. Trysky se trhají skrz hroutící se hvězdu v blízkosti rychlosti světla a poté prorážejí plyn obklopující doomedovou hvězdu. Jak trysky naráží do mezihvězdného média, vytvářejí rázové vlny a zpomalují. V tryskách se také vytvářejí vnitřní otřesy, protože jejich přední hrany se zpomalují a jsou zasaženy zezadu proudem vysokorychlostní hmoty. Šoky urychlují částice, které vytvářejí gama paprsky; mohli také zrychlit částice na rychlosti UHECR, podle týmu.
"Je to jako poskakovat pingpongovou kouli mezi pádlem a stolem," řekl Dingus. "Když pohybujete pádlem blíže ke stolu, míč skáče rychleji a rychleji." Při výbuchu paprsků gama jsou pádlo a stolek vypuzeny do trysky. Turbulentní magnetická pole nutí částice, aby se odrazily mezi skořápkami a urychlily je téměř na rychlost světla, než se uvolní jako UHECR. “
Detekce neutrin z dávek gama paprsků by stačila k urychlení kosmického záření pomocí gama záblesků. Neutrina jsou nepolapitelné částice vyrobené, když se vysokoenergetické protony srazí s fotony. Neutrina nemají elektrický náboj, takže stále směřují zpět ke směru svého zdroje.
Národní vědecká nadace v současné době staví IceCube (http://icecube.wisc.edu/), kubický kilometrový detektor umístěný v ledu pod jižním pólem, aby hledal emise neutrin z gama paprsků. Charakteristiky urychlovačů částic s nejvyšší energií v přírodě však zůstávají trvalým tajemstvím, ačkoli zrychlení explodujícími hvězdami, které způsobují prasknutí gama paprsků, bylo od té doby ve prospěch Mario Vietri (Universita di Roma) a Eli Waxman (Weizmann Institute). v roce 1995.
Tým je přesvědčen, že zatímco pro toto pozorování jsou možná jiná vysvětlení, výsledek je v souladu s akcelerací UHECR v gama záblescích. Při výbuchu GRB941017 viděli jak nízkoenergetické, tak vysoce energetické gama paprsky. Nízkoenergetické gama paprsky jsou to, co vědci očekávají od vysokorychlostních elektronů, které jsou vychýleny intenzivními magnetickými poli, zatímco vysokoenergetické paprsky jsou to, co se očekává, pokud některé UHECR produkované při výbuchu narazí do jiných fotonů a vytvoří sprchu částic , z nichž některé blesky produkují vysoce energetické paprsky gama, když se rozkládají.
Načasování emise gama záření je také významné. Nízkoenergetické gama paprsky mizely relativně rychle, zatímco vysoko energetické gama paprsky setrvaly. To dává smysl, pokud jsou za různé gama paprsky zodpovědné dvě různé třídy částic - elektrony a protony UHECR. "Je mnohem snazší pro elektrony než protony vyzařovat svou energii." Proto by emise nízkoenergetických gama paprsků z elektronů byla kratší než vysokoenergetické gama paprsky z protonů, “řekl Dingus.
Observatoř Compton Gamma Ray Observatory byla druhá z velkých observatoří NASA a gama-paprsek ekvivalentní Hubbleovu kosmickému dalekohledu a rentgenové observatoři Chandra. Compton byl vypuštěn na palubu raketoplánu Atlantis v dubnu 1991 a na 17 tunách byl největší astrofyzikální užitečné zatížení, jaké kdy letělo. Na konci své průkopnické mise byl Compton 4. června 2000 deorbitován a znovu vstoupil do zemské atmosféry.
Původní zdroj: NASA News Release
