Merkelige solgammastråler oppdaget ved enda høyere energier

I 2019 kunngjorde forskere at noe så ut til å være feil med solen. Etter 10 år med observasjoner hadde de konkludert med at solens høyenergistråling var syv ganger mer rikelig enn forventet.

Nå en ny studie basert på data med enda høyere energi har gjort bildet skarpere. Forskere fant at overskuddet av gammastråler vedvarer ved høyere energier. Den faller så av ved de øverste energiene som er utforsket. Ingen kan helt forklare hva som skjer. "Det har bare vært den ene morsomme hodeskraperen etter den andre," sa Annika Peter, en astrofysiker ved Ohio State University og medforfatter av den siste analysen.

I det nylige papiret, som ble lagt ut på preprint-serveren arxiv.org og er under vurdering på Physical Review Letters, rapporterer forskere fra High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) Gamma-Ray Observatory og samarbeidspartnere om overfloden av gammastråling som vedvarer i et område som er to til 10 ganger mer energisk enn for noen tidligere målte solgammastråler.

En fullstendig teoretisk redegjørelse for overfloden av gammastråler ved solen forblir tåkete, men de nye resultatene gir nyttige ledetråder for å utvikle en forklaring. Spesielt kan funnet av en "avskjæringsenergi" der solen slutter å utstråle gammastråler bidra til å avsløre den komplekse rollen til solens magnetiske felt.

Disse interaksjonene er "fundamentalt viktige," sa Hugh Hudson, en astronom ved University of Glasgow. "HAWC-dataene er anerkjent for å være den beste ressursen her."

En ledende hypotese som forklarer overskuddene i solens gammastråling starter med kosmiske stråler. Disse høyenergipartiklene, vanligvis protoner, blir lansert av supernovaer, sorte hullkollisjoner og andre ekstreme hendelser i universet. Når kosmiske stråler nærmer seg solen vår, fanger dens kraftige magnetfelt opp partiklene og omdirigerer dem utover, vekk fra solen. De kosmiske strålene kolliderer deretter med protoner i solens atmosfære for å produsere ustabile partikler kalt pioner. Når pionene forfaller, lager de gammastråler.

Men bare noen av disse gammastrålene slipper unna solen og når detektorene våre. "Det er en slags 'bare-så'-historie for gammastråler," sa Peter. "Du må ha den kosmiske strålen dypt nok i solens atmosfære slik at den har en ganske god sjanse til å samhandle. Men det må være på det punktet hvor gammastrålen da kan komme ut" uten å interagere med andre mellomliggende partikler.

De kosmiske strålene i det søte stedet, tror forskere, har blitt «speilet» av solens magnetfeltlinjer. En kosmisk stråle går inn og møter magnetiske feltlinjer som omdirigerer den. På vei ut kolliderer den med et proton og gir en gammastråle.

En måte å teste denne teorien på er ved å måle hvordan gammastrålesignalet endres over tid. I 2019-studien identifiserte forskere en korrelasjon mellom det sterkeste signalet og solminimumet, fasen av solens 11-årige syklus når dens sammenfiltrede nett av magnetiske feltlinjer er svakest. Denne sammenhengen ser ut til å støtte teorien. Hvis innkommende kosmiske stråler ikke avbøyes av disse utvidede magnetfeltene, som kan nå langt ut i solsystemet, kan de komme veldig nær solen, hvor sterke magnetiske felt snurrer partiklene rundt i siste øyeblikk.

Imidlertid er solens magnetiske trekk bare så sterk. Hvis en ekstremt energisk kosmisk stråle løp inn i solens nærhet, kan den potensielt glide gjennom feltene uten noen partikkelkollisjoner.

"På et tidspunkt skulle du tro at kosmiske stråler bare er for høyenergiske til å i det hele tatt bli påvirket av magnetfeltet," sa Mehr Un Nisa, en astrofysiker ved Michigan State University som er en del av HAWC-samarbeidet. Forskere ville se dette som et avskjæring i dataene: Over en viss energi ville gammastråler effektivt forsvinne. Egenskapene til en slik cutoff kan gi ledetråder for hvordan man bedre kan forstå gammastråleoverskuddet.

I jakten på en slik høyenergigrense vendte Nisa, Peter og deres samarbeidspartnere seg til HAWC-eksperimentet, et bakkebasert observatorium nær Puebla, Mexico, som ble fullført i 2015. Observatoriet er avhengig av hundrevis av 7.3 meter bredt. vannfylte tanker slo leir ved foten av en vulkan, og dekket et område på størrelse med fire fotballbaner. Når gammastråler eksploderer gjennom jordens atmosfære, skaper de sekundære partikler som treffer vannet i HAWCs tanker, og sender ut den elektromagnetiske ekvivalenten til en sonisk bom. HAWC er avhengig av denne såkalte Cherenkov-strålingen for å rekonstruere de innkommende gammastrålene.

Ved hjelp av HAWC klarte forskerne å undersøke gammastråler som var over 10 ganger mer energiske enn de i 2019-studien, som var basert på data fra Fermi Gamma-ray Space Telescope. Som med de tidligere funnene, var signalstyrken høyest ved solminimum. Og som håpet falt signalstyrken bratt med økende energier - noe som indikerer en cutoff-effekt. Resultatet gir en viktig energiskala som hjelper forskere med å modellere solens gammastråling, sa Peter.

Hvorfor avskjæringen skjer ved energien den gjør, kan ikke Nisa og hennes kolleger si. De kan heller ikke forklare hvorfor det uventet rikelige signalet vedvarer ved disse høye energiene. "Det er ingen eksisterende modeller som for øyeblikket kan forklare [dette]," sa Elena Orlando, en fysiker ved University of Trieste i Italia som ikke er en del av HAWC-samarbeidet. Signalet forblir like mystisk som alltid.

Og HAWC undersøker ikke kanskje det mest forvirrende aspektet ved de tidligere dataene: en mystisk smal dip i gammastrålesignalet ved frekvenser på 1 billion trillioner hertz.

Peter og hennes kolleger jobber med problemet, og utvikler forseggjorte simuleringer av solens magnetfelt og den intrikate dynamikken til de kosmiske partiklene som snirkler seg rundt dem.

Utover å løse gamma-ray-mysteriet, tror forskere at HAWC-målingene kan føre til bredere innsikt i sol- og partikkelfysikk. De høyenergipartiklene som trenger dypt inn i solens atmosfære kan hjelpe forskere med å undersøke et uutforsket område av solen. HAWC er unikt følsomt for disse høyenergipartiklene, ettersom observatoriet kan måle gammastråler med enda høyere energier enn de som ble opprettet ved Large Hadron Collider. "Det gir oss et nytt laboratorium for å studere ny fysikk der ute," sa Nisa.