Kozmični zemljevid visokoenergijskih delcev Ua kaže na dolgo časa skrite zaklade

Kozmični žarki, ki izvirajo iz Device, se upognejo v zvitih poljskih linijah galaksije, tako da nas udarijo iz smeri Velikega psa, kjer Auger vidi središče njenega presežka. Raziskovalci so analizirali, kako bi se nastali vzorec spremenil za kozmične žarke različnih energij. Nenehno so ugotavljali tesno ujemanje z različnimi podmnožicami Augerjevih podatkov.

"Neprekinjen model" raziskovalcev izvora kozmičnih žarkov ultra-energije je poenostavitev - vsak kos snovi ne oddaja kozmičnih žarkov ultra-energije. Toda njegov presenetljiv uspeh razkriva, da je dejanskih virov žarkov veliko in se enakomerno širijo po vsej snovi, tako da sledijo obsežni strukturi. The študija, ki bo prikazan v The Astrophysical Journal Letters, je požel široko pohvalo. "To je res fantastičen korak," je dejal Watson.

Takoj so se povečale nekatere zaloge: zlasti tri vrste predmetov, ki kandidirajo za iglo, da so razmeroma pogosti v kozmosu, vendar potencialno dovolj posebni, da dajo delce Oh-My-God.

Ikarjeve zvezde

Leta 2008 Farrar in soavtor predlagano da so lahko kataklizme, imenovane dogodki motenj plime in oseke (TDE), vir kozmičnih žarkov ultra visoke energije.

TDE se zgodi, ko zvezda potegne Ikarja in se preveč približa supermasivni črni luknji. Zvezdina fronta čuti toliko večjo težnost kot hrbet, da se zvezda raztrga na drobce in zavije v brezno. Vrtinčenje traja približno eno leto. Medtem ko traja, dva curka materiala - subatomski delci motene zvezde - iz črne luknje izstrelita v nasprotni smeri. Udarni valovi in ​​magnetna polja v teh žarkih bi se nato lahko zarotili, da bi jedra pospešili do izjemno visokih energij, preden bi jih sprožili v vesolje.

Motnje plimovanja se pojavijo približno enkrat na 100,000 let v vsaki galaksiji, kar je vesoljni ekvivalent, da se dogaja povsod ves čas. Ker galaksije sledijo porazdelitvi snovi, bi TDE lahko razložili uspeh neprekinjenega modela Dinga, Globusa in Farrarja.

Poleg tega sorazmerno kratka bliskavica TDE rešuje druge uganke. Ko bo vesoljski žarek TDE prišel do nas, bo TDE že tisoče let temen. Drugi kozmični žarki iz istega TDE utegnejo ubrati ločene upognjene poti; nekateri morda ne bodo prišli stoletja. Prehodna narava TDE bi lahko pojasnila, zakaj se zdi, da obstaja tako malo vzorca smeri prihoda kozmičnih žarkov, brez močnih korelacij s položaji znanih predmetov. "Zdaj sem nagnjen k temu, da so večinoma prehodni," je dejal Farrar o izvoru žarkov.

Hipoteza TDE se je pred kratkim z opazovanjem še okrepila poročali v Narava astronomija v februarju.

Robert Stone, eden od avtorjev časopisa, je oktobra 2019 upravljal teleskop v Kaliforniji, imenovan Zwicky Transient Factory, ko je iz observatorija za nevtrino IceCube na Antarktiki prišlo opozorilo. IceCube je opazil še posebej energičen nevtrino. Visokoenergijski nevtrini nastanejo, ko kozmični žarki z višjo energijo razpršijo svetlobo ali snov v okolju, kjer so ustvarjeni. Na srečo nevtrini, ki so nevtralni, potujejo do nas po ravnih črtah, zato kažejo neposredno nazaj na izvor svojega matičnega kozmičnega žarka.

Stein je teleskop zasukal v smeri prihoda IceCubeovega nevtrina. "Takoj smo videli, da je prišlo do motenj plimovanja s položaja, od koder je prišel nevtrino," je dejal.

Zaradi ujemanja je bolj verjetno, da so TDE vsaj en vir kozmičnih žarkov ultra-visoke energije. Vendar je bila energija nevtrina verjetno prenizka, da bi dokazali, da TDE proizvajajo zelo visokoenergijske žarke. Nekateri raziskovalci se močno sprašujejo, ali lahko ti prehodni dejavniki pospešijo jedra do skrajnega konca opazovanega energijskega spektra; teoretiki še vedno raziskujejo, kako bi lahko dogodki sploh pospešili delce.

Medtem so nekatera dejstva pozornost nekaterih raziskovalcev usmerila drugam.

Starburst Superwinds

Opazovalnice za kozmične žarke, kot sta Auger in Telescope Array, so odkrile tudi nekaj vročih točk - majhnih, subtilnih koncentracij v smeri prihoda zelo kozmičnih žarkov z najvišjo energijo. Leta 2018 Auger objavljeno rezultati primerjave njenih žarišč z lokacijami astrofizičnih predmetov v nekaj sto milijonih svetlobnih let od tu. (Kozmični žarki od daleč bi med trki sredi potovanja izgubili preveč energije.)

V navzkrižni korelaciji nobena vrsta predmeta ni delovala izjemno dobro - razumljivo, glede na izkušnje z odklonom kozmičnih žarkov. Toda najmočnejša korelacija je presenetila številne strokovnjake: približno 10% žarkov je prihajalo znotraj 13 stopinj smeri tako imenovanih "zvezdnih galaksij". "Prvotno jih ni bilo na mojem krožniku," je dejal Michael Unger s tehnološkega inštituta Karlsruhe, član ekipe Auger.

Nihče ni bil bolj navdušen kot Luis Anchordoqui, astrofizik z Lehman College na mestni univerzi v New Yorku, ki predlagano galaksije zvezdnih izbruhov kot izvor kozmičnih žarkov ultra-energije leta 1999. "Pri teh stvareh sem lahko nekako pristranski, ker sem jaz predlagal model, na katerega kažejo podatki," je dejal.

Galaksije Starburst nenehno proizvajajo ogromno zvezd. Masivne zvezde živijo hitro in umrejo mlade v eksplozijah supernove in Anchordoqui trdi da je "supervetro", ki ga tvorijo kolektivni udarni valovi vseh supernov, tisto, kar pospešuje kozmične žarke do neverjetnih hitrosti, ki jih zaznamo.

Niso vsi prepričani, da bi ta mehanizem deloval. "Vprašanje je: kako hitri so ti šoki?" rekel Frank Rieger, astrofizičarka na univerzi Heidelberg. “Ali naj pričakujem, da bodo šli do najvišjih energij? Trenutno dvomim o tem. "

Drugi raziskovalci trdijo, da lahko predmeti v galaksijah zvezdnih žarkov delujejo kot pospeševalniki kozmičnih žarkov in da študija navzkrižne korelacije preprosto nabere obilo teh drugih predmetov. "Kot človek, ki meni, da so prehodni dogodki naravni vir, so ti zelo bogati z galaksijami zvezdnih žrtev, zato nimam težav," je dejal Farrar.

Aktivne galaksije

V navzkrižni korelacijski študiji je druga vrsta objektov izvedla skoraj, vendar ne povsem dobro, kot galaksije zvezdnih žrtev: predmeti, imenovani aktivna galaktična jedra, ali AGN.

AGN so vroče središča "aktivnih" galaksij, v katerih plazma zajema osrednjo supermasivno črno luknjo. Črna luknja vpije plazmo, medtem ko izpušča ogromne, dolgotrajne curke.

Močni člani posebej svetle podskupine, imenovane "radijsko glasni" AGN-ji, so najbolj svetleči obstojni predmeti v vesolju, zato že dolgo vodijo med kandidati za vir kozmičnih žarkov ultra-visoke energije.

Vendar pa so ti močni radijsko glasni AGN-ji v kozmosu preredki, da bi prestali preizkus Dinga, Globusa in Farrarja: nikakor ne bi mogli biti sledilci obsežne strukture. Pravzaprav v naši kozmični soseski skorajda ni nobenega. "So lepi viri, a ne na našem dvorišču," je dejal Rieger.

Manj močni radijsko glasni AGN-ji so veliko pogostejši in bi lahko bili podobni neprekinjenemu modelu. Centaurus A, na primer najbližji radijski glasni AGN, sedi prav na najvidnejši vroči točki observatorija Auger. (Prav tako galaksija z zvezdnimi utrinki.)

Rieger in drugi strokovnjaki so se dolgo časa resno trudili, da bi dobili AGN-je z nizko močjo za pospešitev protonov do ravni delcev Oh-My-God. A nedavna ugotovitev jih je vrnila "v igro," je dejal.

Astrofiziki že dolgo vedo, da je približno 90% vseh kozmičnih žarkov protonov (torej vodikovih jeder); še 9% je helijevih jeder. Žarki so lahko težja jedra, kot je kisik ali celo železo, vendar so strokovnjaki že dolgo domnevali, da se bodo ti raztrgali zaradi silovitih procesov, potrebnih za pospeševanje kozmičnih žarkov ultra-visoke energije.

Potem, v presenetljive ugotovitve v začetku leta 2010 so znanstveniki Augerjevega observatorija iz oblik zračnih prh sklepali, da so ultra-energijski žarki večinoma jedra srednje teže, kot so ogljik, dušik in silicij. Ta jedra bodo med potovanjem z nižjo hitrostjo dosegla enako energijo kot protoni. In to si olajša predstavljanje, kako bi lahko deloval kateri koli od možnih kozmičnih pospeševalnikov.

Na primer Rieger je opredelil mehanizem to bi AGN-jem z majhno močjo omogočilo, da težje kozmične žarke pospešijo do izjemno visokih energij: Delček se lahko v curku AGN-a odnese od ene strani do druge in ga vsakič, ko se vrne v najhitrejši del pretoka, brcne. "V tem primeru ugotovijo, da lahko to storijo z nizkoenergijskimi radijskimi viri," je dejal Rieger. "To bi bilo veliko več na našem dvorišču."

Še en članek raziskali, ali bi dogodki motenj plimovanja naravno povzročili jedra srednje teže. "Odgovor je, da bi se to lahko zgodilo, če bi bile motene zvezde beli palčki," je dejal Cecilija Lunardini, astrofizik z državne univerze v Arizoni, ki je bil soavtor časopisa. "Beli palčki imajo takšno sestavo - ogljik, dušik." Seveda se TDE lahko zgodi vsakemu "nesrečnemu zvezdniku", je dejal Lunardini. "Toda belih pritlikavcev je veliko, zato tega ne vidim kot nekaj zelo izmišljenega."

Raziskovalci še naprej raziskujejo posledice najmočnejših kozmičnih žarkov, ki so na težki strani. Lahko pa se strinjajo, da je zaradi tega problem, kako jih pospešiti, lažji. "Težka sestava za višjo energijo stvari veliko bolj sprosti," je dejal Rieger.

Primarni vir

Ko se kratek seznam pospeševalcev kandidatov izkristalizira, bodo iskanje pravega odgovora še naprej vodila nova opažanja. Vsi so navdušeni nad AugerPrime, nadgrajeno observatorijo; pozneje letos bo namesto ocene celotne sestave ugotavljala sestavo vsakega posameznega dogodka vesoljnega žarka. Na ta način lahko raziskovalci izolirajo protone, ki se najmanj odbijejo na poti do Zemlje, in se za iskanje posameznih virov ozrejo po napotkih njihovega prihoda. (Ti viri bi verjetno proizvajali tudi težja jedra.)

Mnogi strokovnjaki sumijo, da bi mešanica virov lahko prispevala k spektru kozmičnih žarkov ultra-energije. Toda na splošno pričakujejo, da bo prevladovala ena vrsta vira in samo ena, ki bo dosegla skrajni konec spektra. "Moj denar je na tem, da je samo en," je dejal Unger.

Opomba urednika: Noémie Globus je trenutno povezan z ELI Beamlines na Češkem in Flatiron Institute v New Yorku. Inštitut Flatiron financira Simonsova fundacija, ki financira tudi to uredniško neodvisno revijo. Povezava s fundacijo Simons nima nobenega vpliva na našo pokritost.

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