Нискочестотно радио небе по време на хит на космически лъч. Кредит за изображение: MPIFR. Щракнете за уголемяване
Използвайки експеримента LOPES, прототип на новия високотехнологичен радиотелескоп LOFAR за откриване на свръхвисоки енергийни частици космически лъчи, група астрофизици, в сътрудничество с Max-Planck-Gesellschaft и Helmholtz-Gemeinschaft, записа най-ярките и бързи радио взривове, виждани някога в небето. Взривовете, чието откриване се съобщава в седмичния брой на списанието Nature, са драматични проблясъци на радио светлина, които изглеждат повече от 1000 пъти по-ярки от слънцето и почти милион пъти по-бързи от нормалната светкавица. За много кратък миг тези светкавици - които досега бяха останали незабелязани - се превръщат в най-ярката светлина на небето с диаметър два пъти по-голям от луната.
Експериментът показа, че радио светкавиците се произвеждат в земната атмосфера, причинени от въздействието на най-енергийните частици, произведени в Космоса. Тези частици се наричат свръхвисоки енергийни космически лъчи и произходът им е непрекъснат пъзел. Сега астрофизиците се надяват, че откритието им ще хвърли нова светлина върху мистерията на тези частици.
Учените използваха масив от радио антени и големият масив от детектори за частици от експеримента KASCADE-Grande в Forschungszentrum Karlsruhe. Те показаха, че всеки път, когато една много енергична космическа частица удари земната атмосфера, съответният радиоимпулс се записва от посоката на входящата частица. Използвайки техники за изобразяване от радиоастрономията, групата дори произведе цифрови филмови последователности на тези събития, давайки най-бързите филми, произвеждани някога в радиоастрономията. Детекторите за частици им предоставиха основна информация за постъпващите космически лъчи.
Изследователите успяха да покажат, че силата на излъчения радио сигнал е пряко измерване на енергията на космическия лъч. „Удивително е, че с прости FM радио антени можем да измерим енергията на частици, идващи от Космоса“, казва проф. Хайно Фалке от Холандската фондация за изследвания в астрономията (ASTRON), който е говорител на сътрудничеството LOPES. "Ако имахме чувствителни радио-очи, щяхме да видим как небето блести с радио светкавици", добавя той.
Учените използваха двойки антени, подобни на тези, използвани в обикновените FM радиоприемници. „Основната разлика за нормалните радиостанции е цифровата електроника и широколентовите приемници, които ни позволяват да слушаме много честоти наведнъж“, обяснява Dipl. Физ. Андреас Хорнефер, студент в Университета в Бон и Международната изследователска школа Макс-Планк (IMPRS), който инсталира антените като част от своя докторски проект.
По принцип някои от откритите радио светкавици всъщност са достатъчно силни, за да изтрият конвенционалното радио или телевизионно приемане за кратко време. За да демонстрира този ефект, групата е превърнала радиоприемането на космически лъч в звуков запис (виж по-долу). Тъй като светкавиците продължават само за около 20-30 наносекунди и ярки сигнали се случват само веднъж на ден, те биха били трудно разпознаваеми в ежедневието.
Експериментът показа също, че радиоизлъчването варира по сила спрямо ориентацията на магнитното поле на Земята. Този и други резултати потвърждават основните прогнози, които бяха направени при теоретични изчисления по-рано от проф. Фалке и неговия бивш докторант Тим Хюге, както и чрез изчисления на проф. Питър Горхам от Университета на Хаваите.
Частиците от космически лъчи непрекъснато бомбардират земята, причинявайки малки експлозии на елементарни частици, които образуват лъч от материя и частици против материя, които се втурват през атмосферата. Най-леките заредени частици, електрони и позитрони в този лъч ще бъдат отклонени от геомагнитното поле на Земята, което ги кара да излъчват радио излъчване. Този вид радиация е добре известен от ускорителите на частици на Земята и се нарича синхротронно излъчване. По аналогия астрофизиците сега говорят за „геосинхронно“ излъчване поради взаимодействието с магнитното поле на Земята.
Радио светкавиците бяха открити от антените LOPES, инсталирани при експеримента за космически лъчи KASCADE-Grande във Forschungszentrum Karlsruhe, Германия. KASCADE-Grande е водещ експеримент за измерване на космически лъчи. „Това показва силата на провеждането на основен експеримент по физика на астрочастиците директно в нашия квартал - това ни даде гъвкавост да изследваме и необичайни идеи като тази“, казва д-р Андреас Хаунгс, говорител на KASCADE-Grande.
Радиотелескопът LOPES (прототипна експериментална станция LOFAR) използва прототипи за антени на най-големия радиотелескоп в света - LOFAR, който ще бъде построен след 2006 г. в Холандия и части на Германия. LOFAR има радикален нов дизайн, комбиниращ множество евтини нискочестотни антени, които събират радиосигналите от цялото небе наведнъж. Свързан чрез високоскоростен интернет, суперкомпютърът има възможност да открива необичайни сигнали и да прави изображения на интересни региони в небето, без да движи никакви механични части. „LOPES постигна първите големи научни резултати от проекта LOFAR още във фазата на разработване. Това ни прави уверени, че LOFAR наистина ще бъде толкова революционен, колкото се надявахме да бъде. " обяснява проф. Харви Бъчър, директор на Нидерландската фондация за изследвания в астрономията (ASTRON) в Двингел, Холандия, където в момента се разработва LOFAR.
„Това наистина е необичайна комбинация, при която ядрените физици и радиоастрономите работят заедно, за да създадат уникален и изключително оригинален експеримент по физика на астрочастиците“, заявява д-р Антон Зенсус, директор на радиоастрономията Max-Planck-Institut (MPIfR) в Бон. „Това проправя пътя към нови механизми за откриване във физиката на частиците, както и демонстриране на спиращите дъха способности на телескопи от следващо поколение като LOFAR и по-късно Square Kilometer Array (SKA). Изведнъж големите международни експерименти в различни изследователски области се събират ”
Като следваща стъпка астрофизиците искат да използват предстоящия масив LOFAR в Холандия и Германия за радиоастрономия и изследвания на космическите лъчи. В момента се провеждат тестове за интегриране на радио антената в обсерваторията на Пиер Оже за космически лъчи в Аржентина и вероятно по-късно във втората обсерватория на шнека в Северното полукълбо. „Това може да е голям пробив в технологията за откриване. Надяваме се да използваме тази нова техника за откриване и разбиране на природата на космическите лъчи с най-висока енергия, както и за откриване на ултрависоки енергийни неутрино от космоса “, казва проф. Йоханес Бламер, програмен директор на Асоциацията по физика на частиците на Асоциацията на Хелмхолц и във Forschungszentrum Karlsruhe.
Откриването е потвърдено отчасти от френска група, използваща големия радио телескоп на Парижката обсерватория в Нансей. В исторически план работата по радио излъчването от космическите лъчи е извършена за първи път в края на 60-те години с първите твърдения за откриване. В днешно време обаче с технологията не може да се извлече никаква полезна информация и работата прекрати бързо. Основните недостатъци бяха липсата на възможности за образна диагностика (сега се реализира от софтуер), ниската разделителна способност и липсата на добре калибриран масив от детектори за частици. Всичко това е преодоляно с експеримента LOPES.
Оригинален източник: MPI News Release
