Sinar Gamma Matahari Aneh Ditemukan pada Energi yang Lebih Tinggi

Pada 2019, para peneliti mengumumkan bahwa ada sesuatu yang salah dengan matahari. Setelah 10 tahun pengamatan, mereka menyimpulkan bahwa radiasi matahari berenergi tinggi tujuh kali lipat lebih banyak dari yang diharapkan.

Sekarang sebuah studi baru berdasarkan data berenergi lebih tinggi telah mempertajam gambar. Para peneliti menemukan bahwa kelebihan sinar gamma matahari tetap ada pada energi yang lebih tinggi. Itu kemudian turun pada energi paling atas yang dieksplorasi. Tidak ada yang bisa menjelaskan sepenuhnya apa yang sedang terjadi. “Itu hanya salah satu penggaruk kepala yang menyenangkan,” kata Annika Petrus, seorang ahli astrofisika di Ohio State University dan rekan penulis analisis terbaru.

Dalam makalah baru-baru ini, yang diposting ke server pracetak arxiv.org dan sedang ditinjau di Physical Review Letters, para peneliti dengan Observatorium Gamma-Ray High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) dan kolaborator melaporkan kelimpahan radiasi gamma yang bertahan dalam rentang dua hingga 10 kali lebih energik daripada sinar gamma matahari yang diukur sebelumnya.

Perhitungan teoretis penuh untuk kelimpahan sinar gamma di matahari tetap kabur, tetapi hasil baru memberikan petunjuk yang berguna untuk mengembangkan penjelasan. Secara khusus, penemuan “cutoff energy” di mana matahari berhenti memancarkan sinar gamma dapat membantu mengungkap peran kompleks medan magnet matahari.

Interaksi ini "sangat penting," kata Hugh Hudson, seorang astronom di University of Glasgow. “Data HAWC diakui sebagai sumber daya terbaik di sini.”

Hipotesis terkemuka yang menjelaskan kelebihan radiasi gamma matahari dimulai dengan sinar kosmik. Partikel berenergi tinggi ini, biasanya proton, diluncurkan oleh supernova, tabrakan lubang hitam, dan peristiwa ekstrem lainnya di alam semesta. Saat sinar kosmik mendekati matahari kita, medan magnetnya yang kuat menangkap partikel dan mengarahkannya ke luar, menjauh dari matahari. Sinar kosmik kemudian bertabrakan dengan proton di atmosfer matahari untuk menghasilkan partikel tidak stabil yang disebut pion. Saat pion membusuk, mereka menciptakan sinar gamma.

Tapi hanya sebagian dari sinar gamma ini yang lolos dari matahari dan sampai ke detektor kita. "Ada semacam cerita 'biasa saja' untuk sinar gamma," kata Peter. “Anda harus memiliki sinar kosmik yang cukup dalam di atmosfer matahari sehingga memiliki kesempatan yang cukup baik untuk berinteraksi. Tapi itu harus pada titik di mana sinar gamma kemudian bisa keluar” tanpa berinteraksi dengan partikel lain yang mengintervensi.

Sinar kosmik di sweet spot itu, menurut para peneliti, telah "dicerminkan" oleh garis-garis medan magnet matahari. Sinar kosmik masuk dan bertemu dengan garis medan magnet yang mengarahkannya. Saat keluar, ia bertabrakan dengan proton, menghasilkan sinar gamma.

Salah satu cara untuk menguji teori ini adalah dengan mengukur bagaimana sinyal sinar gamma berubah dari waktu ke waktu. Dalam studi tahun 2019, para peneliti mengidentifikasi korelasi antara sinyal terkuat dan minimum matahari, fase siklus 11 tahun matahari ketika jaringan garis medan magnetnya yang kusut terlemah. Korelasi ini tampaknya mendukung teori tersebut. Jika sinar kosmik yang masuk tidak dibelokkan oleh medan magnet yang diperluas ini, yang dapat menjangkau jauh ke tata surya, mereka bisa berada sangat dekat dengan matahari, di mana medan magnet yang kuat memutar partikel-partikel di saat-saat terakhir.

Namun, tarikan magnet matahari hanya sekuat itu. Jika sinar kosmik yang sangat energik melesat ke sekitar matahari, sinar itu berpotensi menembus medan tanpa ada tumbukan partikel.

"Pada titik tertentu, Anda akan berpikir bahwa sinar kosmik terlalu berenergi tinggi untuk dipengaruhi oleh medan magnet," kata Mehr Un Nisa, seorang ahli astrofisika di Michigan State University yang merupakan bagian dari kolaborasi HAWC. Para peneliti akan melihat ini sebagai potongan data: Di atas energi tertentu, sinar gamma akan menghilang secara efektif. Karakteristik cutoff semacam itu dapat memberikan petunjuk tentang cara lebih memahami kelebihan sinar gamma.

Untuk mencari pemutusan energi tinggi seperti itu, Nisa, Peter, dan kolaborator mereka beralih ke eksperimen HAWC, sebuah observatorium berbasis darat di dekat Puebla, Meksiko, yang selesai pada tahun 2015. tangki berisi air berkemah di dasar gunung berapi, meliputi area seluas empat lapangan sepak bola. Saat sinar gamma menembus atmosfer bumi, mereka menciptakan partikel sekunder yang menyerang air di tangki HAWC, memancarkan ledakan elektromagnetik yang setara dengan ledakan sonik. HAWC mengandalkan apa yang disebut radiasi Cherenkov ini untuk merekonstruksi sinar gamma yang masuk.

Menggunakan HAWC, para ilmuwan berhasil menyelidiki sinar gamma yang lebih dari 10 kali lebih energik daripada yang ada dalam studi 2019, yang didasarkan pada data dari Teleskop Luar Angkasa Sinar Gamma Fermi. Seperti temuan sebelumnya, kekuatan sinyal paling tinggi pada solar minimum. Dan seperti yang diharapkan, kekuatan sinyal turun tajam dengan meningkatnya energi — menunjukkan efek cutoff. Hasilnya memberikan skala energi penting yang membantu peneliti memodelkan radiasi sinar gamma matahari, kata Peter.

Mengapa pemutusan terjadi pada energi yang dilakukannya, Nisa dan rekan-rekannya tidak bisa mengatakannya. Mereka juga tidak dapat menjelaskan mengapa sinyal melimpah yang tak terduga tetap ada pada energi tinggi ini. “Tidak ada model saat ini yang dapat menjelaskan [ini],” kata Elena Orlando, seorang fisikawan di Universitas Trieste di Italia yang bukan bagian dari kolaborasi HAWC. Sinyalnya tetap misterius seperti biasa.

Dan HAWC tidak menyelidiki aspek yang mungkin paling membingungkan dari data sebelumnya: penurunan tipis misterius dalam sinyal sinar gamma pada frekuensi 1 triliun triliun hertz.

Peter dan rekan-rekannya sedang mengerjakan masalah tersebut, mengembangkan simulasi rumit medan magnet matahari dan dinamika rumit partikel kosmik yang melilit di sekitarnya.

Selain memecahkan misteri sinar gamma, para peneliti berpikir bahwa pengukuran HAWC dapat mengarah pada wawasan yang lebih luas tentang fisika matahari dan partikel. Partikel berenergi tinggi yang menembus jauh ke dalam atmosfer matahari dapat membantu para ilmuwan menyelidiki wilayah matahari yang belum dijelajahi. HAWC secara unik peka terhadap partikel berenergi tinggi ini, karena observatorium dapat mengukur sinar gamma dengan energi yang lebih tinggi daripada yang diciptakan di Large Hadron Collider. “Ini memberi kami lab baru untuk mempelajari fisika baru di luar sana,” kata Nisa.