Harta cosmică a particulelor cu energie ridicată indică comori ascunse de mult

Razele cosmice originare ale Fecioarei se îndoaie în jurul liniilor de câmp răsucite ale galaxiei, astfel încât să ne lovească din direcția Canis Major, unde Auger vede centrul excesului său. Cercetătorii au analizat cum s-ar schimba modelul rezultat pentru razele cosmice de diferite energii. Au găsit în mod constant o potrivire strânsă cu diferite subseturi de date Auger.

„Modelul continuu” al cercetătorilor privind originile razelor cosmice cu energie ultra-mare este o simplificare - fiecare bucată de materie nu emite raze cosmice cu energie ultra-mare. Dar succesul său izbitoare relevă faptul că sursele reale ale razelor sunt abundente și se răspândesc uniform în toată materia, urmărind structura la scară largă. studiu, care va apărea în Scrisorile din jurnalul astrofizic, a strâns laude pe scară largă. „Acesta este cu adevărat un pas fantastic”, a spus Watson.

Imediat, anumite stocuri au crescut: în special, trei tipuri de obiecte candidate care înfășoară acul de a fi relativ comune în cosmos, dar suficient de speciale pentru a produce particule Oh-My-God.

Stele Icar

În 2008, Farrar și un coautor propus că cataclismele numite evenimente de întrerupere a mareelor ​​(TDE) ar putea fi sursa razelor cosmice cu energie ultra-mare.

Un TDE apare atunci când o stea trage un Icar și se apropie prea mult de o gaură neagră supermasivă. Partea din față a stelei simte atât de mult mai multă gravitate decât cea din spate, încât steaua devine smithereens și se învârte în abis. Învârtirea durează aproximativ un an. În timp ce durează, două jeturi de material - bucățile subatomice ale stelei întrerupte - trag din gaura neagră în direcții opuse. Undele de șoc și câmpurile magnetice din aceste fascicule ar putea conspira atunci pentru a accelera nucleele la energii ultra-mari înainte de a le arunca în spațiu.

Evenimentele de perturbare a mareelor ​​apar aproximativ o dată la 100,000 de ani în fiecare galaxie, care este echivalentul cosmologic al întâmplării peste tot tot timpul. Deoarece galaxiile urmăresc distribuția materiei, TDE-urile ar putea explica succesul modelului continuu al lui Ding, Globus și Farrar.

Mai mult, fulgerul relativ scurt al unui TDE rezolvă alte puzzle-uri. În momentul în care o rază cosmică a TDE ajunge la noi, TDE va ​​fi întunecat de mii de ani. Alte raze cosmice din același TDE ar putea lua căi separate îndoite; unii s-ar putea să nu ajungă de secole. Natura tranzitorie a unui TDE ar putea explica de ce pare să existe atât de puțin model în direcțiile de sosire ale razelor cosmice, fără corelații puternice cu pozițiile obiectelor cunoscute. „Sunt înclinat acum să cred că sunt tranzitorii, mai ales”, a spus Farrar despre originile razelor.

Ipoteza TDE a primit recent un alt impuls, dintr-o observație raportat în Natura Astronomie în februarie.

Robert Stone, unul dintre autorii ziarului, opera un telescop în California numit Zwicky Transient Factory în octombrie 2019, când a venit o alertă de la observatorul de neutrini IceCube din Antarctica. IceCube a văzut un neutrin deosebit de energic. Neutrinii cu energie ridicată sunt produși atunci când razele cosmice cu energie chiar mai mare dispersează lumina sau materia în mediul în care sunt creați. Din fericire, neutrinii, fiind neutri, călătoresc către noi în linii drepte, așa că îndreaptă direct înapoi spre sursa razei lor cosmice părinte.

Stein a rotit telescopul în direcția de sosire a neutrinului IceCube. „Am văzut imediat că a existat un eveniment de întrerupere a mareelor ​​din poziția din care sosise neutrino”, a spus el.

Corespondența face mai probabil ca TDE să fie cel puțin o sursă de raze cosmice cu energie ultra-mare. Cu toate acestea, energia neutrino-ului a fost probabil prea mică pentru a demonstra că TDE produc cele mai mari raze de energie. Unii cercetători se întreabă cu tărie dacă acești tranzitori pot accelera nucleele până la capătul extrem al spectrului energetic observat; teoreticienii încă explorează modul în care evenimentele ar putea accelera particulele în primul rând.

Între timp, alte fapte au îndreptat atenția unor cercetători în altă parte.

Starburst Superwinds

Observatoarele cu raze cosmice precum Auger și Telescope Array au găsit, de asemenea, câteva puncte fierbinți - concentrații mici și subtile în direcțiile de sosire ale razelor cosmice cu cea mai mare energie. În 2018, Auger publicat rezultatele unei comparații a punctelor sale fierbinți cu locațiile obiectelor astrofizice la câteva sute de milioane de ani lumină de aici. (Razele cosmice de mai departe ar pierde prea multă energie în coliziuni la mijlocul călătoriei.)

În cadrul concursului de corelație încrucișată, niciun tip de obiect nu a funcționat în mod excepțional - de înțeles, având în vedere experiența razelor cosmice de deviere. Dar cea mai puternică corelație a surprins mulți experți: aproximativ 10% din raze provin din 13 grade de direcții ale așa-numitelor „galaxii cu explozie de stele”. „Inițial nu erau pe farfuria mea”, a spus Michael Unger al Institutului de Tehnologie Karlsruhe, membru al echipei Auger.

Nimeni nu era mai încântat decât Luis Anchordoqui, astrofizician la Colegiul Lehman al Universității din New York, care propus galaxiile cu izbucnire de stele ca origine a razelor cosmice cu energie ultra-mare în 1999. „Pot fi oarecum părtinitoare asupra acestor lucruri, pentru că eu am fost cel care a propus modelul către care arată datele acum”, a spus el.

Galaxiile Starburst produc în mod constant o mulțime de stele uriașe. Stelele masive trăiesc repede și mor tinere în explozii de supernova și Anchordoqui argumentează că „super-vântul” format de undele de șoc colective ale tuturor supernovelor este ceea ce accelerează razele cosmice la viteza uimitoare pe care o detectăm.

Nu toată lumea este sigură că acest mecanism ar funcționa. „Întrebarea este: cât de repede sunt acele șocuri?” a spus Frank Rieger, astrofizician la Universitatea Heidelberg. „Ar trebui să mă aștept ca aceștia să meargă la cele mai înalte energii? În acest moment sunt îndoielnic în legătură cu asta. ”

Alți cercetători susțin că obiectele din interiorul galaxiilor cu explozie de stele ar putea acționa ca acceleratori de raze cosmice și că studiul de corelație încrucișată pur și simplu capătă abundența acestor alte obiecte. „Ca persoană care se gândește la evenimentele tranzitorii ca la o sursă naturală, acestea sunt foarte îmbogățite în galaxiile cu explozie de stele, așa că nu am probleme”, a spus Farrar.

Galaxii active

În studiul de corelație încrucișată, un alt tip de obiect a efectuat aproape, dar nu chiar la fel de bine, ca și galaxiile cu explozie de stele: obiecte numite nuclei galactici activi sau AGN.

AGN-urile sunt centrele albe ale galaxiilor „active”, în care plasma cuprinde gaura neagră supermasivă centrală. Gaura neagră aspiră plasma în timp ce trage jeturi enorme, de lungă durată.

Membrii de mare putere ai unui subset deosebit de luminos numit „radio-tare” AGN sunt cele mai luminoase obiecte persistente din univers, deci sunt de mult candidați la sursa de raze cosmice cu energie ultra-mare.

Cu toate acestea, aceste AGN puternice radio-puternice sunt prea rare în cosmos pentru a trece testul Ding, Globus și Farrar: nu ar putea fi, eventual, trasoare pentru structura pe scară largă. De fapt, în vecinătatea noastră cosmică, aproape nu există. "Sunt surse frumoase, dar nu în curtea noastră", a spus Rieger.

AGN-urile radio mai puțin puternice sunt mult mai frecvente și ar putea semăna cu modelul continuu. Centaurus A, de exemplu, cel mai apropiat radio cu voce tare, se află chiar la cel mai proeminent punct fierbinte al Observatorului Auger. (La fel și o galaxie cu explozie de stele.)

Pentru o lungă perioadă de timp, Rieger și alți specialiști s-au luptat serios pentru a obține AGN-uri de mică putere pentru a accelera protonii până la nivelurile de particule Oh-My-God. Dar o descoperire recentă i-a adus „înapoi în joc”, a spus el.

Astrofizicienii știu de mult că aproximativ 90% din toate razele cosmice sunt protoni (adică nuclei de hidrogen); alți 9% sunt nuclei de heliu. Razele pot fi nuclee mai grele, cum ar fi oxigenul sau chiar fierul, dar experții au presupus de mult că acestea vor fi rupte de procesele violente necesare pentru a accelera razele cosmice cu energie ultra-mare.

Apoi în descoperiri surprinzătoare la începutul anilor 2010, oamenii de știință ai Observatorului Auger au dedus din formele dușurilor de aer că razele ultra-mari de energie sunt în mare parte nuclee cu greutate medie, cum ar fi carbonul, azotul și siliciul. Aceste nuclee vor obține aceeași energie ca și protonii în timp ce călătoresc la viteze mai mici. Și, la rândul său, face mai ușor să ne imaginăm cum ar putea funcționa oricare dintre acceleratorii cosmici.

De exemplu, Rieger a identificat un mecanism care ar permite AGN-urilor de mică putere să accelereze razele cosmice mai grele până la energiile ultra-mari: o particulă ar putea deriva dintr-o parte în alta în jetul unui AGN, fiind lovită de fiecare dată când intră în cea mai rapidă parte a fluxului. „În acest caz, descoperă că pot face asta cu sursele radio de mică putere”, a spus Rieger. „Astea ar fi mult mai multe în curtea noastră.”

O altă hârtie a explorat dacă evenimentele de perturbare a mareelor ​​ar produce în mod natural nuclei cu greutate medie. „Răspunsul este că s-ar putea întâmpla dacă stelele care sunt perturbate sunt pitici albi”, a spus Cecilia Lunardini, astrofizician la Universitatea de Stat din Arizona, care a fost co-autor al lucrării. „Piticii albi au acest gen de compoziție - carbon, azot.” Desigur, TDE-urile se pot întâmpla oricărei „stele nefericite”, a spus Lunardini. „Dar există o mulțime de pitici albi, așa că nu văd acest lucru ca pe ceva foarte inventat”.

Cercetătorii continuă să exploreze implicațiile ca razele cosmice cu cea mai mare energie să fie pe partea grea. Dar ei pot fi de acord că facilitează problema modului de accelerare a acestora. „Compoziția grea către o energie mai mare relaxează lucrurile mult mai mult”, a spus Rieger.

Sursa primara

Pe măsură ce lista scurtă a acceleratorilor candidați se cristalizează, căutarea răspunsului corect va continua să fie condusă de noi observații. Toată lumea este încântată de AugerPrime, un observator modernizat; începând cu sfârșitul acestui an, va identifica compoziția fiecărui eveniment individual cu raze cosmice, mai degrabă decât estimarea compoziției generale. În acest fel, cercetătorii pot izola protonii, care deviază cel mai puțin în drumul lor spre Pământ, și se pot uita înapoi la direcțiile de sosire pentru a identifica sursele individuale. (Aceste surse ar produce probabil și nucleele mai grele.)

Mulți experți suspectează că un amestec de surse ar putea contribui la spectrul de raze cosmice cu energie ultra-mare. Dar, în general, se așteaptă să domine un tip de sursă și doar unul să ajungă la capătul extrem al spectrului. „Banii mei sunt pe un singur,” a spus Unger.

Nota editorului: Noémie Globus este în prezent afiliată la ELI Beamlines din Republica Cehă și la Flatiron Institute din New York. Flatiron Institute este finanțat de Fundația Simons, care finanțează, de asemenea, această revistă independentă din punct de vedere editorial. Afilierea la Fundația Simons nu are nicio influență asupra acoperirii noastre.

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