Mystisk kosmisk stråle med ultrahøy energi forvirrer astronomer – Physics World

Mystisk kosmisk stråle med ultrahøy energi forvirrer astronomer – Physics World

Tidsstempel: 27. november 2023, kl

Kosmisk stråledeteksjon
Solgudinne: illustrasjon av partikkeldusjen skapt av Amaterasu da den kom inn i atmosfæren over Telescope Array i Utah. (Med tillatelse: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige)

En kosmisk strålepartikkel med en energi som er omtrent 36 millioner ganger større enn partiklene akselerert av CERNs Large Hadron Collider er påvist. Ved 244 EeV er dette en av de mest energiske partiklene som noen gang er observert og ble oppdaget i 2021 av Telescope Array i Utah. Mens den ultrahøyenergiske kosmiske strålen (UHECR) sannsynligvis ble skapt av en voldsom astrofysisk prosess, klarte ikke forskere å spore den tilbake til opprinnelsen.

Forskerne har kalt partikkelen Amaterasu, som er gudinnen til solen i japansk mytologi. Den nåværende energirekorden for en UHECR er 320 EeV, holdt av "Oh-My-God"-partikkelen, som ble oppdaget i 1991 i Utah av en forgjenger til Telescope Array.

UHECR er subatomære partikler som protoner som har energier større enn 1 EeV (1018 eV). Selv om de ser ut til å komme utenfor Melkeveien, er deres opprinnelse fortsatt dårlig forstått på grunn av sjeldenheten av å observere dem på jorden.

Kosmisk avskjæring

Når de leter etter opprinnelsen til UHECR-er, drar astronomer nytte av et fenomen som kalles Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cut-off. Dette skjer fordi UHECR-er med energier over omtrent 60 EeV samhandler med den kosmiske mikrobølgebakgrunnen når de reiser gjennom verdensrommet – og mister energi mens de går. Dette betyr at partikler ved disse høyere energiene ikke kan ha reist lenger enn rundt 300 millioner lysår før de når jorden.

Til tross for denne avskjæringen, er internasjonalt team som oppdaget Amaterasu er ikke klokere på opprinnelsen til partikkelen, iht Toshihiro Fujii fra Japans Osaka Metropolitan University – som var den første som la merke til bevis på UHECR i Telescope Array-data.

"Vi fant dette nye mysteriet," sa han, og påpekte at partikkelen ikke korrelerer med noen kjente astrofysiske objekter. Skriver i journalen Vitenskap, teamet foreslår flere mulige opphav for Amaterasu.

Mørke og lys

Ser vi innenfor GZK-grensen og antar at partikkelen ble avbøyd av Melkeveiens magnetfelt, er en mulig opprinnelse galaksen NGC 6946. Denne er omtrent 25 millioner lysår unna og kjent for sin fantastiske stjernedannelse og tallrike supernovaer. Astronomer har imidlertid ikke observert gammastråler eller røntgenstråler fra galaksen. Å observere denne strålingen vil antyde tilstedeværelsen av et astrofysisk objekt som er i stand til å akselerere UHECR. Amaterasu kan også spores tilbake til Local Void, en nærliggende region med en uvanlig lav tetthet av galakser. Men igjen, det er ingen gjenstand der som kan identifiseres som en kilde.

Ifølge teamet er en annen mulighet at vår ufullstendige forståelse av partikkelfysikk utover standardmodellen kan bety at Amaterasu reiste lenger enn tillatt av GZK-grensen. Hvis dette er tilfelle, kan det være at UHECRs opprinnelse er så langt unna at vi ikke kan oppdage dens elektromagnetiske stråling.

I følge Fujii er den mest eksotiske mulige kilden til Amaterasu en "mørk akselerator" - et hypotetisk objekt som sender ut UHECR-er, men ingen annen stråling.

Til tross for oppdagelsen og spekulasjonene, Rafael Alves Batista, fortalte en astrofysiker ved det autonome universitetet i Madrid Fysikkens verden at observasjonen avslører "ingenting nytt" om UHECR.

"Jeg er en konservativ i den forstand at jeg ikke ville hoppe inn i noen forklaring utover standardmodellen," sier han. "Vi har astrofysiske objekter som faktisk kan generere disse høyenergiske kosmiske strålene. Vi vet bare ikke hvordan dette skjer, eller hvor disse objektene er, eller hvilke objekter som gjør dette.»

Han påpeker også at astronomer har svært dårlig forståelse av magnetiske felt utenfor Melkeveien, noe som gjør tilbakesporing svært vanskelig.

Fullstendig usikkerhet

«I vår galakse kjenner vi egentlig ikke [det galaktiske magnetfeltet], men vi har i det minste et håndtak på at det er innenfor bestemte grenser. Men for ekstra galaktiske magnetiske felt er det helt usikkert, sa Batista.

Både Fujii og Batista er enige om at flere observasjoner av disse sjeldne hendelsene er nødvendige før vi kan begynne å forstå opprinnelsen til UHECR. Det trengs også forbedringer av vår forståelse av ekstragalaktiske magnetfelt.

Noen av disse observasjonene vil helt sikkert bli gjort av Telescope Array. Det er den største kosmiske stråledetektoren på den nordlige halvkule og utvides for tiden til å være en faktor fire større enn det nåværende området.

I dag oppdages partikler som Amaterasu omtrent en gang hvert 15. år, men Fujii sier at forbedringer av Telescope Array kan redusere dette til en gang hvert fjerde år.

Forskningen er beskrevet i Vitenskap.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden