Кредит за изображение: НАСА
Астрономите вярват, че избухванията на гама-лъчи, най-мощните експлозии във Вселената, може да генерират космически лъчи с ултрависока енергия, най-енергийните частици във Вселената. Доказателствата, събрани от обезглавената обсерватория Compton Gamma-Ray на НАСА, показват, че в един случай на избухване на гама лъчи, тези високоенергийни частици доминират в областта, даваща връзка между тях, но това едва ли е достатъчно доказателство, за да се каже, че те са окончателно свързани ,
Най-мощните експлозии във Вселената, избухванията на гама-лъчи, могат да генерират най-енергийните частици във Вселената, известни като свръхвисоки енергийни космически лъчи (UHECRs), според нов анализ на наблюденията от Обсерваторията Гамма-Рей на Комптън в НАСА.
Изследователите докладват в изданието Nature на 14 август за новооткрит модел в светлината от тези загадъчни изблици, които биха могли да бъдат обяснени с протони, движещи се в широчината на светлинната скорост.
Тези протони, като шрапнел от експлозия, биха могли да бъдат UHECR. Такива космически лъчи са рядкост и представляват трайна загадка в астрофизиката, привидно опровергаваща физическо обяснение, защото те са просто твърде енергични, за да бъдат генерирани от добре известни механизми като експлозии на свръхнови.
„Космическите лъчи„ забравят “откъде идват, защото, за разлика от светлината, те се бият в космоса чрез магнитни полета“, казва водещата авторка Мария Магдалена Гонсалес от Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико и аспирант в Уисконсинския университет. „Този резултат е вълнуващ шанс вероятно да видите доказателства за това, че са произведени в източника си.“
Изблиците на гама-лъчи - мистериозни учени най-накрая започват да се разплитат - могат да заблестят толкова блестящо, колкото милион трилиона слънца, а много от тях може да са от необикновено мощен тип взривяваща се звезда. Изблиците са чести, но случайни и мимолетни, траят само секунди.
Космическите лъчи са атомни частици (например електрони, протони или неутрино), които се движат близо до светлинната скорост. Космическите лъчи с по-ниска енергия бомбардират Земята постоянно, задвижвани от слънчеви пламъци и типични звездни експлозии. UHECR, с всяка атомна частица, носеща енергията на бейзбол, хвърлен в основните лиги, са сто милиона пъти по-енергични от частиците, произведени в най-големите ускорители на частици, направени от човека.
Според учените UHECR трябва да се генерира сравнително близо до Земята, тъй като всяка частица, пътуваща на повече от 100 милиона светлинни години, ще загуби част от енергията си до момента, в който достигне до нас. И все пак нито един локален източник на обикновени космически лъчи не изглежда достатъчно мощен, за да генерира UHECR.
Хартията, водена от Gonzalez, се фокусира не конкретно върху производството на UHECR, а по-скоро нов модел светлина, наблюдаван при спукване на гама-лъчи. Изкопавайки се дълбоко в архивите на обсерваторията Compton (мисията приключи през 2000 г.), групата открива, че избухването на гама-лъчи от 1994 г., наречено GRB941017, изглежда различно от останалите 2700 - някои изблици, записани от този космически кораб. Този взрив беше разположен в посока на съзвездието Sagitta, Стрелата, вероятно на разстояние десет милиарда светлинни години.
Това, което учените наричат гама-лъчи, са фотони (светлинни частици), покриващи широк спектър от енергии, всъщност над милион пъти по-широки от енергиите, които очите ни регистрират като цветовете в дъгата. Групата на Гонзалес разгледа фотоните с по-висока енергия от гама-лъчи. Учените откриха, че тези видове фотони доминират при спукването: Те бяха поне три пъти по-мощни от компонента с по-ниска енергия все още, изненадващо, хиляди пъти по-мощни след около 100 секунди.
Тоест, докато потокът от фотони с по-ниска енергия, удрящи сателитните детектори, започна да се облекчава, потокът от фотони с по-висока енергия остава постоянен. Констатацията е несъвместима с популярния „модел на синхронен шок“, описващ повечето изблици. И така, какво би могло да обясни това обогатяване на фотони с по-висока енергия?
„Едно от обясненията е, че космическите лъчи на свръхвисока енергия са отговорни, но как точно те създават гама лъчите с енергийните модели, които видяхме, трябва много да се изчислят“, казва д-р Бренда Дингус от LANL, съавтор на хартията. "Ще поддържаме някои теоретици заети да се опитват да разберат това."
Закъснялото инжектиране на свръхвисоки енергийни електрони осигурява друг начин за обяснение на неочаквано големия високоенергиен гама-поток, наблюдаван в GRB 941017. Но това обяснение ще изисква преразглеждане на стандартния модел на разрушаване, каза съавторът д-р Чарлз Дермер, теоретичен астрофизик в лабораторията за военноморски изследвания на САЩ във Вашингтон. „И в двата случая този резултат разкрива нов процес, възникнал при изблици на гама-лъчи“, каза той.
Не са открити изблици на гама-лъчи, произхождащи на 100 милиона светлинни години от Земята, но през еоните тези видове експлозии може да са настъпили локално. Ако е така, каза Дингус, механизмът, който групата й видя в GRB 941017, можеше да се дублира близо до дома, достатъчно близо, за да достави UHECR, които виждаме днес.
Други изблици в архива на обсерваторията Compton може да имат подобен модел, но данните не са категорични. Гама-лъчът на космическия космически телескоп (GLAST) на НАСА, планиран да бъде пуснат през 2006 г., ще разполага с достатъчно мощни детектори, за да разрешава фотони с по-висока енергия от гама-лъчи и да разреши тази мистерия.
Съавтори на доклада за природата също включват докторант. аспирант Юки Канеко, д-р Робърт Прайс и д-р Майкъл Бригс от университета в Алабама в Хънтсвил. Това изследване е финансирано от НАСА и Службата за военноморски изследвания.
UHECR се наблюдават, когато се разбият в нашата атмосфера, както е показано на фигурата. Енергията от сблъсъка произвежда въздушен душ от милиарди субатомни частици и проблясъци на ултравиолетова светлина, които се откриват със специални инструменти.
Националната научна фондация и международните сътрудници са спонсорирали инструменти на място, като Очите на мухата с висока резолюция в Юта (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) и Обсерваторията на шнека в Аржентина (http: / /www.auger.org/). Освен това НАСА работи с Европейската космическа агенция, за да постави на Международната космическа станция Екстремната космическа обсерватория (http://aquila.lbl.gov/EUSO/). Предложената мисия на OWL ще излезе от орбита надолу към въздушни душове, гледайки регион, голям колкото Тексас.
Тези учени записват светкавиците и правят преброяване на субатомния шрапнел, като работят назад, за да изчислят колко енергия е нужна на една частица, за да направи атмосферната каскада. Те достигат до шокираща цифра от 10 ^ 20 електронни волта (eV) или повече. (За сравнение, енергията в частица от жълта светлина е 2 eV, а електроните във вашата телевизионна тръба са в енергийния диапазон от хиляди волта.)
Тези свръхвисоки енергийни частици изпитват причудливите ефекти, предвидени от теорията на Айнщайн за специална относителност. Ако можехме да ги наблюдаваме, идващи от отдалечен кът на Космоса, да речем на сто милиона светлинни години, ще трябва да бъдем търпеливи - ще отнеме сто милиона години, за да завършим пътешествието. Ако обаче можем да пътуваме с частиците, пътуването приключи за по-малко от един ден поради удължаването на времето на бързо движещи се обекти, измерено от наблюдател.
Космическите лъчи с най-висока енергия дори не могат да достигнат до нас, ако са произведени от далечни източници, защото те се сблъскват и губят енергия с космическите микровълнови фотони, останали от големия взрив. Източниците на тези космически лъчи трябва да бъдат открити сравнително близо до нас, на разстояние от няколкостотин милиона светлинни години. На това разстояние се намират звезди, които избухват като изблици на гама-лъчи, затова се предприемат интензивни усилия за наблюдение, за да се намерят останки от избухване на гама-лъчи, отличаващи се с ореоли на радиация, направени от космическите лъчи.
Малко видове небесни обекти притежават екстремните условия, необходими за взривяване на частици до скорости на UHECR. Ако избухванията на гама-лъчи произвеждат UHECR, те вероятно правят това, като ускоряват частици в струи материя, изхвърлена от експлозията, близка до скоростта на светлината. Изблиците на гама-лъчи имат силата да ускоряват UHECR, но наблюдаваните досега изблици на гама-лъчи са били отдалечени, на милиарди светлинни години. Това не означава, че не могат да се случат наблизо, в рамките на границата на UHECR.
Водещ претендент за дълготрайни видове изблици на гама-лъчи като GRB941017 е моделът supernova / kolapsar. Суперновите се случват, когато една звезда много пъти по-масивна от Слънцето изчерпва горивото си, причинявайки ядрото му да се срути под собствената си гравитация, докато външните му слоеве се издухат при огромна термоядрена експлозия. Collapsars са специален тип свръхнови, където ядрото е толкова масивно, че се разпада в черна дупка, обект, толкова плътен, че нищо, дори и светлина, не може да избяга от гравитацията си в хоризонта на събитията на черната дупка. Въпреки това, наблюденията показват, че черните дупки са помия етър, изхвърлящ материал, който минава близо до хоризонта на събитията им, но не пресича.
В колапс ядрото на звездата образува диск от материал около новообразуваната черна дупка, като вода, завихряща се около канала. Черната дупка изразходва по-голямата част от диска, но някаква материя се взривява в струи от полюсите на черната дупка. Самолетите се пробиват през падащата звезда с близка до скоростта на светлината и след това пробиват газ, обграждащ обречената звезда. Докато струите се блъскат в междузвездната среда, те създават ударни вълни и се забавят. Вътрешните удари също се образуват в струите, тъй като водещите им ръбове се забавят и се забиват отзад от поток високоскоростна материя. Шоковете ускоряват частиците, които генерират гама лъчи; те също биха могли да ускорят частиците до UHECR скорости, според екипа.
„Това е като да подскачате топка за пинг-понг между гребло и маса“, каза Дингус. „Когато придвижите греблото по-близо до масата, топката отскача все по-бързо и по-бързо. При взрив на гама-лъчи, греблото и масата са снаряди, изхвърлени в струята. Силните магнитни полета принуждават частиците да рикошират между черупките, ускорявайки ги до почти скоростта на светлината, преди да се освободят като UHECR. "
Откриването на неутрино от изблици на гама лъчи ще доведе до ускоряване на космическите лъчи чрез изблици на гама-лъчи. Неутрино са неуловими частици, направени, когато високоенергийните протони се сблъскат с фотони. Нейтрините нямат електрически заряд, така че все пак насочвайте се към посоката на източника си.
Националната научна фондация понастоящем изгражда IceCube (http://icecube.wisc.edu/), детектор за кубически километър, разположен в леда под Южния полюс, за да търси излъчване на неутрино от изблици на гама-лъчи. Характеристиките на природните ускорители на частици с най-висока енергия остават трайна загадка, въпреки че ускорението от експлодиращите звезди, които правят изблици на гама лъчи, е в полза още от времето, когато Марио Виетри (Университета ди Рома) и Ели Уоксман (Институт Вайцман) го предложиха през 1995г.
Екипът вярва, че макар и други обяснения да са възможни за това наблюдение, резултатът е съгласуван с UHECR ускорение при изблици на гама-лъчи. Те видяха както нискоенергийни, така и високоенергийни гама лъчи при експлозия GRB941017. Ниско-енергийните гама-лъчи са това, което учените очакват от високоскоростните електрони да бъдат отклонявани от интензивни магнитни полета, докато високоенергийните лъчи са това, което се очаква, ако някои от UHECR, произведени при избухването, се сринат в други фотони, създавайки душ от частици , някои от които мигат, за да произвеждат високоенергийни гама лъчи, когато се разпадат.
Времето на излъчване на гама-лъчи също е значително. Ниско енергийните гама лъчи избледняха сравнително бързо, докато високоенергийните гама лъчи се задържиха. Това има смисъл, ако за различните гама-лъчи са отговорни два различни класа частици - електрони и протони на UHECR. „За електроните е много по-лесно, отколкото протоните да излъчват енергията си. Следователно, излъчването на нискоенергийни гама лъчи от електрони би било по-кратко от високоенергийните гама лъчи от протоните “, казва Дингус.
Обсерваторията Gamton Ray Compton беше втората от големите обсерватории на НАСА и гама-лъчът еквивалент на космическия телескоп Хъбъл и рентгеновата обсерватория Чандра. Compton беше изстрелян на борда на космическия совал Atlantis през април 1991 г. и със 17 тона беше най-големият астрофизичен полезен товар, който някога е летял по това време. В края на своята пионерска мисия Комптън беше обезлюден и отново навлезе в земната атмосфера на 4 юни 2000 г.
Оригинален източник: NASA News Release
