Gama paprsky vytryskly ze vzdálených hvězd, jak je ukázáno na obrázku tohoto umělce, jsou jedním z možných zdrojů ultra-výkonných „OMG částic“, které příležitostně zasáhly detektory vědců na Zemi.
(Obrázek: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter je astrofyzik na Státní univerzitě v Ohiu a hlavní vědec ve vědeckém centru COSI. Sutter je také hostitelem „Ask a Spaceman“ a „Space Radio“ a vede AstroTours po celém světě. Sutter přispěl tímto článkem do expertních hlasů Space.com: Op-Ed & Insights.
Právě teď, když čtete tento text, se vaše DNA krájí drobnými, neviditelnými kulkami. Prodejci škod jsou známí jako kosmické paprsky, přestože to absolutně nejsou paprsky - ale jméno vycházelo z historického nedorozumění. Místo toho jsou to částice: většinou elektrony a protony, ale občas těžší věci, jako je helium nebo dokonce železná jádra.
Tyto kosmické částice jsou problémem, protože a) jsou rychlé, a proto mají spoustu kinetické energie, aby se házely kolem a b) jsou elektricky nabité. To znamená, že mohou ionizovat naše špatné DNA nukleotidy, roztrhávat je a občas vést k nekontrolovatelným replikačním chybám (aka, rakovina). ['Superstar' Eta Carinae se chová jako skvělá kosmická zbraň, ale proč?]
Jako by to nebylo dost špatné, jednou za čas, zhruba jednou za kilometr čtvereční za rok, částice křičí do naší horní atmosféry opravdu monstrózní rychlostí, klepe na nešťastnou molekulu dusíku nebo kyslíku a kaskáduje do sprchy nižší sekundární částice (samozřejmě stále smrtící).
Existuje pouze jedna vhodná odpověď, když je konfrontován s částicí takového nesmyslného potenciálu: „OMG“.
Fastballs
„OMG“ byla přezdívka, která byla dána prvnímu příkladu toho, co je dnes známo jako kosmické záření ultra-vysokoenergetické, detekované v roce 1991 detektorem kosmického záření Fly of Eye University of Utah. Tento jediný proton vrazil do naší atmosféry a zhruba 99,99999999999999999999999995951% rychlosti světla. A ne, všech těch devět není jen pro dramatický efekt, aby číslo vypadalo působivě - bylo to opravdu tak rychlé. Tato částice měla stejné množství kinetické energie jako slušně hozený baseball ... stlačený do předmětu o velikosti protonu.
To znamená, že tato částice měla více než 10 milionůkrát více energie, než to, co dokáže naše nejsilnější srážka částic, LHC, vyrobit. Kvůli relativistické dilataci času, při této rychlosti, mohla OMG částice cestovat k naší nejbližší sousední hvězdě, Proxima Centauri, za 0,43 milisekundy vlastního času částice. Dokud jste tuto větu přečetli (z vlastní perspektivy), mohlo by to pokračovat do našeho galaktického jádra.
OMG, opravdu.
Od detekce této částice jsme nadále sledovali nebe pro tyto extrémní události pomocí specializovaných dalekohledů a detektorů po celém světě. Všichni jsme v posledních několika desetiletích zaznamenali asi sto částic třídy OMG.
Těchto několik desítek příkladů objasňuje a prohlubuje záhady jejich původu. Více dat je vždy dobré, ale co sakra v našem vesmíru je dostatečně silná, aby poskytla protonu dostatečně dobrou trhlinu, že by mohla téměř - téměř - napadnout samotné světlo závodu?
Knuckleballs
K urychlení nabité částice k šíleným rychlostem potřebujete dvě klíčové ingredience: hodně energie a magnetické pole. Magnetické pole provádí přenos na částici bez ohledu na energii ve vašem případě (řekněme výbušná kinetická energie výbuchu supernovy nebo vířící gravitační tah, když hmota padá do černé díry). Podrobná fyzika je samozřejmě neuvěřitelně komplikovaná a málo srozumitelná. Rodiště kosmických paprsků jsou strašně komplikované a nacházejí se v extrémních oblastech našeho vesmíru, takže úplný fyzický obraz bude obtížné přijít.
Stále však můžeme udělat nějaké vzdělané odhady, odkud pocházejí extrémní příklady, jako je náš přítel, částice OMG. Naším prvním odhadem mohou být supernovy, titanická smrt masivních hvězd. Magnetické pole? Šek. Hodně energie? Šek. Ale ne dost energie, aby to dokázal. Vaše hvězdná detonace zahradní odrůdy prostě nemá dostatek surového oomphu, aby vyplivl částice rychlostí, kterou zvažujeme.
Co bude dál? Aktivní galaktická jádra jsou silnými soupeři. Tato jádra se vytvářejí jako hmota vířící do svého osudu kolem supermasivní černé díry umístěné ve středu galaxie; tento materiál se komprimuje a zahřívá a ve svých konečných okamžicích tvoří diskreční disk. Toto zkroucené peklo vytváří intenzivní magnetické pole z dynamických akcí, které vytváří silnou směs přísad nezbytných pro přidání nějaké závažné koňské síly k vypuzeným částicím.
Kromě (a vy jste věděli, že to bude "kromě"), aktivní galaktická jádra jsou příliš daleko na to, aby vytvořila kosmické paprsky, které sahají až na Zemi. Při absurdních rychlostech ultra-vysokoenergetického kosmického paprsku je plavba vesmírem spíš jako snažit se pluhovat vánici. Je to proto, že při těchto rychlostech se kosmické mikrovlnné pozadí - záplava nízkoenergetických fotonů, které zbyly z velmi raného vesmíru - jeví jako vysoce přesměrované směrem k vyšším energiím. Toto světlo s vysokou intenzitou plácne a plave na putujícím kosmickém paprsku, zpomaluje ho a nakonec ho zastavuje.
Neměli bychom tedy očekávat, že nejmocnější kosmické paprsky budou cestovat dále než sto milionů světelných let nebo tak podobně - a většina aktivních galaktických jader je od nás mnohem, mnohem dál.
Křivky
Na dlouhou dobu byl hlavním podezřelým generátorem OMG Centaurus A, relativně blízké aktivní galaktické jádro, které leží někde mezi 10 a 16 miliony světelných let. Výkonný, magnetický a blízký - perfektní kombinace. Ale i když některé průzkumy naznačovaly, že kosmické paprsky mohou pocházet z jejího obecného směru, nikdy neexistovala dostatečně jasná korelace, aby bylo možné tuto galaxii odsuzovat k podezření. [Hluboký pohled na podivnou galaxii Centaurus A]
Součástí problému je, že vlastní magnetické pole Mléčné dráhy jemně mění trajektorii přicházejících kosmických paprsků a maskuje jejich původní směry. Takže k rekonstrukci zdroje kosmického paprsku potřebujete také modely pro sílu a směry magnetického pole naší galaxie - něco, o čem přesně nemůžeme mít plnou páku.
Pokud generátor OMG není sám o sobě Centaurus A, pak to možná jsou Seyfertovy galaxie, určitá galaktická podtřída obecně blíže, obecně slabší (ale stále šíleně jasná a silná) aktivní galaktická jádra. Ale opět, s tím, že se k ní nevyužije ani sto vzorků, je těžké provést přísné statistické určení.
Možná jde o výbuchy gama paprsků, o nichž se předpokládá, že vycházejí ze zvláštního kataklyzmatického konce na některé z nejextrémnějších hvězd. Ale naše chápání fyziky této situace je (můžete tomu věřit?) Trochu útržkovité.
Možná je to něco exotičtějšího, jako jsou topologické defekty od nejranějších okamžiků Velkého třesku nebo nějaké funky interakce v temné hmotě. Možná se mýlíme ve fyzice a naše výpočty limitů vzdálenosti nejsou přesné. Možná, možná…
Skutečný původ těchto ultra-vysokoenergetických částic „OMG“ je obtížné určit a přes téměř 30 let historie detekce nemáme mnoho pevných odpovědí. Což je v pořádku - je dobré mít ve vesmíru alespoň nějaké záhady. Astrofyzici by také mohli použít jistotu zaměstnání.
Další informace získáte poslechem epizody v podcastu „Zeptejte se Spacemana“, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Díky hchrissscotttovi za otázky, které k tomuto kusu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás @Spacedotcom, Facebook a Google+. Původní článek na webu Space.com.
