Peta Kosmik Partikel Berenergi Tinggi Menunjuk ke Harta Karun yang Tersembunyi Lama

Sinar kosmik yang berasal dari Virgo membelok di sekitar garis medan yang berputar di galaksi sehingga mereka menyerang kita dari arah Canis Major, di mana Auger melihat pusat kelebihannya. Para peneliti menganalisis bagaimana pola yang dihasilkan akan berubah untuk sinar kosmik dengan energi yang berbeda. Mereka secara konsisten menemukan kecocokan erat dengan subkumpulan data Auger yang berbeda.

"Model berkelanjutan" para peneliti tentang asal-usul sinar kosmik berenergi sangat tinggi adalah penyederhanaan - setiap bagian materi tidak memancarkan sinar kosmik berenergi sangat tinggi. Tetapi keberhasilannya yang mencolok mengungkapkan bahwa sumber sinar yang sebenarnya berlimpah dan menyebar secara merata ke seluruh materi, menelusuri struktur berskala besar. Itu belajar, yang akan muncul di Surat Jurnal Astrofisika, telah menuai pujian luas. “Ini benar-benar langkah yang fantastis,” kata Watson.

Dengan segera, persediaan tertentu telah meningkat: khususnya, tiga jenis calon objek yang menjadi relatif umum di alam semesta namun berpotensi cukup istimewa untuk menghasilkan partikel Oh-My-God.

Bintang Icarus

Pada 2008, Farrar dan rekan penulis diusulkan bahwa bencana alam yang disebut peristiwa gangguan pasang surut (TDE) mungkin merupakan sumber sinar kosmik berenergi sangat tinggi.

TDE terjadi ketika bintang menarik Icarus dan terlalu dekat dengan lubang hitam supermasif. Bagian depan bintang merasakan gravitasi yang jauh lebih besar daripada bagian belakangnya sehingga bintang itu terkoyak-koyak dan berputar ke dalam jurang. Putarannya berlangsung sekitar satu tahun. Sementara itu berlangsung, dua semburan material - pecahan subatomik dari bintang yang terganggu - melesat keluar dari lubang hitam ke arah yang berlawanan. Gelombang kejut dan medan magnet dalam berkas ini mungkin kemudian berkonspirasi untuk mempercepat inti menjadi energi sangat tinggi sebelum melontarkannya ke luar angkasa.

Peristiwa gangguan pasang surut terjadi kira-kira sekali setiap 100,000 tahun di setiap galaksi, yang merupakan ekuivalen kosmologis yang terjadi di mana-mana sepanjang waktu. Karena galaksi melacak distribusi materi, TDE dapat menjelaskan keberhasilan model berkelanjutan Ding, Globus, dan Farrar.

Selain itu, kilatan TDE yang relatif singkat memecahkan teka-teki lainnya. Pada saat sinar kosmik TDE mencapai kita, TDE akan menjadi gelap selama ribuan tahun. Sinar kosmik lain dari TDE yang sama mungkin mengambil jalur bengkok yang terpisah; beberapa mungkin tidak datang selama berabad-abad. Sifat sementara dari TDE dapat menjelaskan mengapa tampaknya ada begitu sedikit pola arah kedatangan sinar kosmik, tanpa korelasi kuat dengan posisi objek yang diketahui. "Saya sekarang cenderung percaya bahwa mereka hanya sementara," kata Farrar tentang asal usul sinar itu.

Hipotesis TDE mendapat dorongan lain baru-baru ini, dari sebuah pengamatan dilaporkan dalam Astronomi Alam pada bulan Februari.

Robert Stone, salah satu penulis makalah tersebut, sedang mengoperasikan teleskop di California yang disebut Zwicky Transient Factory pada Oktober 2019 ketika sebuah peringatan datang dari observatorium neutrino IceCube di Antartika. IceCube telah melihat neutrino yang sangat energik. Neutrino berenergi tinggi diproduksi ketika sinar kosmik berenergi lebih tinggi menghamburkan cahaya atau materi di lingkungan tempat mereka diciptakan. Untungnya, neutrino, karena netral, bergerak ke arah kita dalam garis lurus, jadi mereka menunjuk langsung kembali ke sumber sinar kosmik induknya.

Stein memutar teleskop ke arah kedatangan neutrino IceCube. “Kami langsung melihat ada peristiwa gangguan pasang surut dari posisi kedatangan neutrino,” ujarnya.

Korespondensi membuatnya lebih mungkin bahwa TDE setidaknya merupakan satu sumber sinar kosmik berenergi sangat tinggi. Namun, energi neutrino mungkin terlalu rendah untuk membuktikan bahwa TDE menghasilkan sinar berenergi paling tinggi. Beberapa peneliti sangat mempertanyakan apakah transien ini dapat mempercepat inti hingga ujung ekstrim dari spektrum energi yang diamati; Para ahli teori masih mengeksplorasi bagaimana peristiwa dapat mempercepat partikel di tempat pertama.

Sementara itu, fakta lain telah mengalihkan perhatian beberapa peneliti di tempat lain.

Superwinds Starburst

Observatorium sinar kosmik seperti Auger dan Telescope Array juga telah menemukan beberapa titik panas - konsentrasi kecil dan halus dalam arah kedatangan sinar kosmik berenergi paling tinggi. Pada 2018, Auger diterbitkan hasil perbandingan titik panasnya dengan lokasi objek astrofisika dalam jarak beberapa ratus juta tahun cahaya dari sini. (Sinar kosmik dari jauh akan kehilangan terlalu banyak energi dalam tabrakan di tengah perjalanan.)

Dalam kontes korelasi silang, tidak ada jenis objek yang berkinerja sangat baik - dapat dimaklumi, mengingat pengalaman defleksi sinar kosmik. Tetapi korelasi terkuat mengejutkan banyak ahli: Sekitar 10% sinar datang dari dalam jarak 13 derajat dari arah yang disebut "galaksi starburst." "Awalnya tidak ada di piring saya," kata Michael Unger dari Institut Teknologi Karlsruhe, anggota tim Auger.

Tidak ada yang lebih senang daripada Luis Anchordoqui, astrofisikawan di Lehman College dari City University of New York, yang diusulkan galaksi starburst sebagai asal mula sinar kosmik berenergi sangat tinggi pada tahun 1999. "Saya bisa jadi bias pada hal-hal ini karena saya yang mengusulkan model yang sekarang ditunjukkan datanya," katanya.

Galaksi starburst secara konstan menghasilkan banyak bintang besar. Bintang masif hidup cepat dan mati muda dalam ledakan supernova, dan Anchordoqui berpendapat bahwa "angin super" yang dibentuk oleh gelombang kejut kolektif dari semua supernova adalah yang mempercepat sinar kosmik ke kecepatan menakjubkan yang kami deteksi.

Tidak semua orang yakin bahwa mekanisme ini akan berhasil. Pertanyaannya adalah: Seberapa cepat guncangan itu? kata Frank Rieger, seorang astrofisikawan di Universitas Heidelberg. “Haruskah saya mengharapkan mereka pergi ke energi tertinggi? Saat ini saya ragu tentang itu. "

Peneliti lain berpendapat bahwa objek di dalam galaksi starburst mungkin bertindak sebagai akselerator sinar kosmik, dan studi korelasi silang hanya menangkap kelimpahan objek lain ini. “Sebagai orang yang menganggap peristiwa sementara sebagai sumber alam, itu sangat kaya dengan galaksi starburst, jadi saya tidak mengalami kesulitan,” kata Farrar.

Galaksi Aktif

Dalam studi korelasi silang, jenis objek lain tampil hampir tetapi tidak sebaik galaksi starburst: objek yang disebut inti galaksi aktif, atau AGN.

AGN adalah pusat panas-putih dari galaksi "aktif", di mana plasma menelan lubang hitam supermasif pusat. Lubang hitam menghisap plasma saat menembakkan jet yang sangat besar dan tahan lama.

Anggota berkekuatan tinggi dari subset yang sangat terang yang disebut AGN “radio-loud” adalah objek persisten paling bercahaya di alam semesta, jadi mereka telah lama menjadi kandidat utama untuk sumber sinar kosmik berenergi sangat tinggi.

Namun, AGN radio-keras yang kuat ini terlalu langka di alam semesta untuk lulus tes Ding, Globus dan Farrar: Mereka tidak mungkin menjadi pelacak untuk struktur skala besar. Nyatanya, dalam lingkungan kosmik kita, hampir tidak ada. “Mereka adalah sumber yang bagus tapi tidak di halaman belakang kami,” kata Rieger.

AGN radio-loud yang kurang bertenaga jauh lebih umum dan berpotensi menyerupai model kontinu. Centaurus A, misalnya, AGN radio-loud terdekat, berada tepat di titik panas paling menonjol di Observatorium Auger. (Begitu juga dengan galaksi starburst.)

Untuk waktu yang lama Rieger dan spesialis lainnya dengan serius berjuang untuk mendapatkan AGN berdaya rendah untuk mempercepat proton ke level partikel Oh-My-God. Namun temuan baru-baru ini telah membawa mereka "kembali ke permainan," katanya.

Ahli astrofisika telah lama mengetahui bahwa sekitar 90% dari semua sinar kosmik adalah proton (yaitu inti hidrogen); 9% lainnya adalah inti helium. Sinar bisa menjadi inti yang lebih berat seperti oksigen atau bahkan besi, tetapi para ahli sejak lama berasumsi bahwa ini akan terkoyak oleh proses kekerasan yang diperlukan untuk mempercepat sinar kosmik berenergi sangat tinggi.

Kemudian, di temuan yang mengejutkan Pada awal 2010-an, para ilmuwan Auger Observatory menyimpulkan dari bentuk pancuran udara bahwa sinar berenergi sangat tinggi sebagian besar merupakan inti kelas menengah, seperti karbon, nitrogen, dan silikon. Inti ini akan mencapai energi yang sama dengan proton saat bergerak dengan kecepatan lebih rendah. Dan itu, pada gilirannya, membuatnya lebih mudah membayangkan bagaimana salah satu kandidat akselerator kosmik bisa bekerja.

Misalnya, Rieger telah mengidentifikasi mekanisme yang akan memungkinkan AGN berdaya rendah untuk mempercepat sinar kosmik yang lebih berat menjadi energi sangat tinggi: Sebuah partikel dapat melayang dari sisi ke sisi dalam jet AGN, ditendang setiap kali memasuki kembali bagian tercepat dari aliran. “Dalam hal ini mereka menemukan bahwa mereka dapat melakukannya dengan sumber radio berdaya rendah,” kata Rieger. "Itu akan lebih banyak di halaman belakang kita."

Makalah lain mengeksplorasi apakah peristiwa gangguan pasang surut secara alami akan menghasilkan inti kelas menengah. “Jawabannya bisa terjadi jika bintang yang diganggu adalah bintang katai putih,” tuturnya Cecilia Lunardini, astrofisikawan di Arizona State University yang ikut menulis makalah. Katai putih memiliki komposisi semacam ini - karbon, nitrogen. ” Tentu saja, TDE bisa terjadi pada "bintang malang", kata Lunardini. "Tapi ada banyak katai putih, jadi aku tidak melihat ini sebagai sesuatu yang dibuat-buat."

Para peneliti terus mengeksplorasi implikasi dari sinar kosmik berenergi tertinggi berada di sisi yang berat. Tapi mereka bisa setuju bahwa itu membuat masalah bagaimana mempercepat mereka lebih mudah. “Komposisi berat menuju energi yang lebih tinggi membuat lebih rileks,” kata Rieger.

Sumber utama

Saat daftar pendek calon akselerator mengkristal, pencarian jawaban yang benar akan terus dipandu oleh pengamatan baru. Semua orang sangat senang dengan AugerPrime, sebuah observatorium yang telah ditingkatkan; mulai akhir tahun ini, ini akan mengidentifikasi komposisi setiap peristiwa sinar kosmik individu, daripada memperkirakan komposisi keseluruhan. Dengan cara itu, para peneliti dapat mengisolasi proton, yang paling sedikit membelok dalam perjalanan mereka ke Bumi, dan melihat kembali arah kedatangan mereka untuk mengidentifikasi sumber individu. (Sumber-sumber ini mungkin akan menghasilkan inti yang lebih berat juga.)

Banyak ahli menduga bahwa campuran sumber mungkin berkontribusi pada spektrum sinar kosmik berenergi sangat tinggi. Tetapi mereka umumnya mengharapkan satu jenis sumber untuk mendominasi, dan hanya satu yang mencapai ujung spektrum yang ekstrim. "Uang saya hanya satu," kata Unger.

Catatan editor: Noémie Globus saat ini berafiliasi dengan ELI Beamlines di Republik Ceko dan Flatiron Institute di New York. The Flatiron Institute didanai oleh Simons Foundation, yang juga mendanai majalah editorial independen ini. Afiliasi dengan Simons Foundation tidak ada hubungannya dengan pertanggungan kami.

Sumber: https://www.quantamagazine.org/high-energy-cosmic-ray-sources-mapped-out-for-the-first-time-20210427/