Astrofysici van de Universiteit van Utah en de Telescope Array hebben kosmische straling ontdekt met energieën die de theoretische grenzen overschrijden, wat het huidige begrip van de deeltjesfysica op de proef stelt. Deze ontdekkingen, waaronder de OMG- en Amaterasu-deeltjes, wijzen op onbekende kosmische verschijnselen en vormen de focus van lopend onderzoek.
Na het Oh-My-God-deeltje verdiept het nieuw genoemde Amaterasu-deeltje het mysterie van de oorsprong, voortplanting en deeltjesfysica van zeldzame, ultrahoge energie kosmische straling.
In 1991 onthulde het Fly’s Eye-experiment, uitgevoerd door de Universiteit van Utah, de kosmische straling met de hoogste energie ooit waargenomen. De energie van kosmische straling, later het Oh My God-deeltje genoemd, schokte astrofysici. Niets in ons sterrenstelsel had de capaciteit om dat te produceren, en het deeltje had meer energie dan theoretisch mogelijk was voor kosmische straling die vanuit andere sterrenstelsels naar de aarde reist. Simpel gezegd: het deeltje zou er niet moeten zijn.
Astronomische puzzels
De telescooparray heeft sindsdien meer dan dertig hoogenergetische kosmische straling gedetecteerd, hoewel geen enkele het energieniveau benaderde. Er zijn nog geen waarnemingen die hun oorsprong hebben onthuld of hoe ze naar de aarde konden reizen.
Artistieke illustratie van hoogenergetische kosmische straling waargenomen door de oppervlaktedetectorarray van de Array Telescope, genaamd Amaterasu-deeltjes. Bron: Osaka Metropolitan University/L-Insight, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
Op 27 mei 2021 detecteerde het Telescope Array-experiment de op een na hoogste energiekosmische straling. Grootte 2,4 x 1020Volt, de energie van dit enkele subatomaire deeltje is gelijk aan het laten vallen van een steen op je teen vanaf heuphoogte. De telescooparray, geleid door de Universiteit van Utah (U) en de Universiteit van Tokio, bestaat uit 507 oppervlaktedetectiestations, gerangschikt in een vierkant raster dat 700 km bestrijkt.2 (~270 mijl2) buiten Delta, Utah, in de westelijke woestijn van de staat. Deze gebeurtenis activeerde 23 detectoren in het noordwestelijke deel van de telescooparray, verspreid over een afstand van 48 km.2 (30,5 km2). De aankomstrichting lijkt vanuit de lokale leegte te zijn geweest, een leeg gebied aangrenzend aan de ruimte Melkweg heelal.
“De deeltjes hebben een zeer hoge energie en mogen niet worden beïnvloed door galactische en extragalactische magnetische velden. Ze zouden moeten kunnen wijzen naar waar ze in de lucht vandaan kwamen”, zegt John Matthews, woordvoerder van de Telescope Array van de Universiteit van New York. Californië en co-auteur van de studie. Maar in het geval van het Oh My God-deeltje en dit nieuwe deeltje kun je het terugvoeren naar de bron en is er niets dat voldoende energie heeft om het te produceren. Dat is het geheim hiervan: wat is er in vredesnaam aan de hand?
Amaterasu-deeltje
In hun notitie gepubliceerd op 24 november 2023 in het tijdschrift Wetenschappenheeft een internationale samenwerking van onderzoekers zeer hoogenergetische kosmische straling beschreven, hun eigenschappen geëvalueerd en geconcludeerd dat zeldzame verschijnselen het gevolg kunnen zijn van deeltjesfysica die de wetenschap niet kent. De onderzoekers noemden het het Amaterasu-deeltje, naar de zonnegodin uit de Japanse mythologie. Oh-My-God- en Amaterasu-deeltjes werden ontdekt met behulp van verschillende observatietechnieken, wat bevestigt dat deze extreem energieke gebeurtenissen, hoewel zeldzaam, reëel zijn.
Artistieke illustratie van ultra-energetische kosmische stralingsastronomie om zeer energetische verschijnselen te illustreren in tegenstelling tot zwakkere kosmische straling die wordt beïnvloed door elektromagnetische velden. Bron: Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
“Deze gebeurtenissen lijken van totaal verschillende plaatsen in de lucht te komen. Het is niet zo dat er één mysterieuze bron is”, zegt John Bales, professor aan de Universiteit van Amerika en co-auteur van het onderzoek. “Het kunnen onvolkomenheden zijn in de structuur van de lucht. ruimte-tijd, botsingen van kosmische snaren. Ik bedoel, ik heb het alleen maar over de gekke ideeën waar mensen mee komen, omdat er geen conventionele verklaring voor bestaat.
Natuurlijke deeltjesversnellers
Kosmische straling is de echo van gewelddadige hemelse gebeurtenissen die de materie hebben uitgekleed tot haar subatomaire structuur en deze met bijna de snelheid van het licht door het universum hebben geslingerd. Kosmische straling bestaat in principe uit geladen deeltjes met een breed scala aan energieën, bestaande uit positieve protonen, negatieve elektronen of hele atoomkernen, die door de ruimte reizen en vrijwel continu op de aarde vallen.
Kosmische straling raakt de bovenste atmosfeer van de aarde en explodeert de kernen van zuurstof- en stikstofgas, waardoor veel secundaire deeltjes ontstaan. Deze deeltjes reizen een korte afstand de atmosfeer in en herhalen het proces, waardoor een regen van miljarden secundaire deeltjes ontstaat die zich over het oppervlak verspreiden. Het gebied van deze secundaire douche is enorm en vereist dat de detectoren een gebied zo groot als een telescoopreeks bestrijken. Oppervlaktedetectoren gebruiken een combinatie van apparaten die onderzoekers informatie geven over elke kosmische straling; De timing van het signaal toont zijn pad en de hoeveelheid geladen deeltjes die elke detector raken onthult de energie van het elementaire deeltje.
Omdat de deeltjes een lading hebben, lijkt hun vliegbaan op een bal in een flipperkast terwijl deze door de kosmische microgolfachtergrond zigzagt tegen elektromagnetische velden. Het is bijna onmogelijk om het pad te volgen van de meeste kosmische straling, die zich aan de lage tot middenkant van het energiespectrum bevindt. Zelfs hoogenergetische kosmische straling wordt vervormd door de microgolfachtergrond. Deeltjes die de energie van Oh-My-God en Amaterasu bevatten, schieten in een relatief ongebogen vorm door de intergalactische ruimte. Alleen de krachtigste hemelse gebeurtenissen kunnen deze voortbrengen.
“Dingen waarvan mensen denken dat ze actief zijn, zoals supernova’s, zijn lang niet energetisch genoeg om dat te doen. We hebben enorme hoeveelheden energie en zeer hoge magnetische velden nodig om het deeltje op te sluiten terwijl het versnelt”, zei Matthews.
Het geheim van ultra-energetische kosmische straling
Kosmische straling met hoge energie moet groter zijn dan 5 x 1019 Volt. Dit betekent dat een enkel subatomair deeltje dezelfde kinetische energie draagt als de fastball van een Major League-speler, en tientallen miljoenen keren meer energie heeft dan welke door de mens gemaakte deeltjesversneller dan ook zou kunnen bereiken. Astrofysici hebben deze theoretische limiet, bekend als de Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK) grenswaarde, berekend als de maximale hoeveelheid energie die een proton kan vervoeren terwijl hij lange afstanden aflegt voordat interacties met microgolfachtergrondstraling zijn energie wegnemen. Bekende kandidaat-bronnen, zoals actieve galactische kernen of zwarte gaten met accretieschijven die deeltjesstralen uitzenden, bevinden zich doorgaans meer dan 160 miljoen lichtjaar van de aarde. Het nieuwe deeltje is 2,4×1020 Een volt en een deeltje, oh my, 3,2 x 1020 Volt overschrijdt gemakkelijk de grenswaarde.
Onderzoekers analyseren ook de samenstelling van kosmische straling op zoek naar aanwijzingen over hun oorsprong. Zwaardere deeltjes, zoals ijzerkernen, zijn zwaarder, hebben een grotere lading en buigen eerder in een magnetisch veld dan lichtere deeltjes gemaakt van waterstofprotonen. maïs. Het nieuwe deeltje is waarschijnlijk een proton. De deeltjesfysica schrijft voor dat kosmische straling met een energie die de GZK-grenswaarde overschrijdt zo krachtig is dat de microgolfachtergrond zijn pad niet kan vervormen, maar zijn pad naar de lege ruimte volgt.
“Magnetische velden zijn misschien sterker dan we dachten, maar dit is inconsistent met andere waarnemingen die aantonen dat ze niet sterk genoeg zijn om een significante kromming te veroorzaken bij energieën van 10 tot 20 MeV,” zei Bales. “Het is een echt mysterie.”
Breid de zoekopdracht en de telescooparray uit
de Telescooparray Het is uniek gepositioneerd om kosmische straling met zeer hoge energie te detecteren. Het bevindt zich op een hoogte van ongeveer 1200 meter (4000 voet), het ideale hoogtepunt waar secundaire deeltjes zich maximaal kunnen ontwikkelen, maar voordat ze beginnen te vervallen. De ligging in de westelijke woestijn van Utah biedt op twee manieren ideale weersomstandigheden: droge lucht is van cruciaal belang omdat vocht het ultraviolette licht absorbeert dat nodig is voor detectie; Donkere luchten zijn noodzakelijk, omdat lichtvervuiling veel lawaai zal veroorzaken en kosmische straling zal blokkeren.
Astrofysici zijn nog steeds verbaasd over dit mysterieuze fenomeen. De telescooparray bevindt zich midden in een uitbreidingsproces waarvan ze hopen dat dit dit probleem zal helpen oplossen. Eenmaal voltooid zullen 500 nieuwe sprankelende detectoren de reeks van de telescoop uitbreiden en monsters nemen van deeltjesdeeltjes gegenereerd door kosmische straling over een afstand van 2.900 kilometer.2 (1100 mijl2 ), een gebied ongeveer zo groot als de staat Rhode Island. Hopelijk zal de grotere voetafdruk meer gebeurtenissen vastleggen die licht zullen werpen op wat er aan de hand is.
Voor meer informatie over deze ontdekking:
Referentie: “Een extreem energetische kosmische straal gedetecteerd door een oppervlaktedetectorarray” 23 november 2023, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.abo5095
“Bierliefhebber. Toegewijde popcultuurgeleerde. Koffieninja. Boze zombiefan. Organisator.”
More Stories
Donderdagavond mikt SpaceX op een lancering in 2024 van zijn 33e Kaap-raket
Kijk hoe SpaceX Crew-8-astronauten op 2 mei hun draak naar het internationale ruimtestation verplaatsen
Uit nieuw onderzoek blijkt dat dinosaurussen niet zo intelligent waren als we dachten