Кредит за слику: НАСА
Астрономи верују да рафали гама зрака, најснажније експлозије у Универзуму, могу да генеришу космичке зраке ултрависоке енергије, најенергичније честице у Универзуму. Ови космички зраци су збунили астрономе јер се крећу брже него да су избачени из супернове. Докази које је прикупила НАСА-ина опсерваторија гама-зрака Комптон, која је деорбитирала, показали су да су у једном случају експлозије гама зрака ове честице високе енергије доминирале подручјем дајући везу између њих, али ово тешко да је довољан доказ да се каже да су дефинитивно повезане .
Најснажније експлозије у универзуму, рафали гама зрака, могу да генеришу најенергичније честице у универзуму, познате као космички зраци ултрависоке енергије (УХЕЦР), према новој анализи запажања НАСА-ине Опсерваторије за гама зраке Комтона.
Истраживачи су објавили у издању Натуре од 14. августа о новоидентификованом узорку у светлости ових загонетних рафала који би се могао објаснити протонима који се крећу брзином светлости за длаку.
Ови протони, попут шрапнела од експлозије, могу бити УХЕЦР. Такви космички зраци су ретки и представљају трајну мистерију у астрофизици, наизглед пркосећи физичком објашњењу, јер су једноставно превише енергични да би били генерисани добро познатим механизмима као што су експлозије супернова.
„Космички зраци ’заборављају’ одакле долазе јер их, за разлику од светлости, покрећу у свемиру магнетна поља“, рекла је главна ауторка Марија Магдалена Гонзалез из Националне лабораторије Лос Аламос у Новом Мексику и постдипломац на Универзитету Висконсин. „Овај резултат је узбудљива шанса да се евентуално виде докази да су они произведени на њиховом извору.
Експлозије гама зрака — мистерија коју научници коначно почињу да разоткривају — могу да сијају бриљантно као милион билиона сунаца, а многи могу бити од необично моћне звезде која експлодира. Рафали су уобичајени, али насумични и пролазни, трају само неколико секунди.
Космички зраци су атомске честице (на пример, електрони, протони или неутрини) које се крећу близу брзине светлости. Космички зраци ниже енергије непрестано бомбардују Земљу, покретани сунчевим бакљама и типичним експлозијама звезда. УХЕЦР-и, са сваком атомском честицом која носи енергију бејзбол лопте баченог у главним лигама, су сто милиона пута енергичнији од честица произведених у највећим акцелераторима честица које је направио човек.
Научници кажу да се УХЕЦР морају генерисати релативно близу Земље, јер би свака честица која путује даље од 100 милиона светлосних година изгубила део своје енергије док стигне до нас. Ипак, ниједан локални извор обичних космичких зрака не изгледа довољно моћан да генерише УХЕЦР.
Рад који је предводио Гонзалес се не фокусира посебно на УХЕЦР производњу, већ на нови образац светлости који се види у експлозији гама зрака. Копајући дубоко у архиву Опсерваторије Комптон (мисија је завршена 2000. године), група је открила да се рафал гама зрака из 1994. године, назван ГРБ941017, разликује од осталих 2.700 рафала које је забележила ова летелица. Овај прасак се налазио у правцу сазвежђа Сагитта, Стреле, вероватно десет милијарди светлосних година далеко.
Оно што научници називају гама зрацима су фотони (светлосне честице) које покривају широк спектар енергија, у ствари, преко милион пута шире од енергија које наше очи региструју као боје дуге. Гонзалесова група је посматрала фотоне гама зрака веће енергије. Научници су открили да су ове врсте фотона доминирале праском: у просеку су биле најмање три пута моћније од компоненте ниже енергије, али, изненађујуће, хиљадама пута моћније након око 100 секунди.
То јест, док је ток фотона ниже енергије који ударају у детекторе сателита почео да се ублажава, ток фотона више енергије остао је стабилан. Овај налаз није у складу са популарним „моделом синхротронског шока“ који описује већину рафала. Дакле, шта би могло објаснити ово обогаћивање фотона више енергије?
„Једно од објашњења је да су космички зраци ултрависоке енергије одговорни, али тачно како они стварају гама зраке са енергетским обрасцима које смо видели потребно је много израчунавања“, рекла је др Бренда Дингус из ЛАНЛ-а, коауторка рада. „Задржаћемо неке теоретичаре заузетим покушавајући да ово открију.
Одложено убризгавање електрона ултрависоке енергије пружа још један начин да се објасни неочекивано велики ток гама зрака високе енергије уочен у ГРБ 941017. Али ово објашњење би захтевало ревизију стандардног модела праска, рекао је коаутор др Чарлс Дермер, теоријски астрофизичар у Лабораторији за истраживање морнарице САД у Вашингтону. „У оба случаја, овај резултат открива нови процес који се јавља у рафалима гама зрака“, рекао је он.
Рафали гама зрака нису откривени у кругу од 100 милиона светлосних година од Земље, али током еона ове врсте експлозија су се можда дешавале локално. Ако је тако, рекла је Дингус, механизам који је њена група видела у ГРБ 941017 могао је да буде дуплиран близу куће, довољно близу да снабдева УХЕЦР-ове које видимо данас.
Други рафали у архиви Опсерваторије Цомптон можда су показали сличан образац, али подаци нису коначни. НАСА-ин гама-скопски телескоп велике површине (ГЛАСТ), планиран за лансирање 2006. године, имаће детекторе довољно моћне да разреше фотоне гама зрака веће енергије и разреше ову мистерију.
Међу коауторима Извештаја о природи су и др. дипломирани студент Јуки Канеко, др Роберт Прис и др Мајкл Бригс са Универзитета Алабама у Хантсвилу. Ово истраживање финансирали су НАСА и Канцеларија за поморска истраживања.
УХЕЦР-и се посматрају када се сруше у нашу атмосферу, као што је илустровано на слици. Енергија од судара производи ваздушни пљусак од милијарди субатомских честица и бљескова ултраљубичастог светла, које детектују специјални инструменти.
Национална научна фондација и међународни сарадници спонзорисали су инструменте на терену, као што је Фли'с Еие високе резолуције у Јути (хттп://ввв.цосмиц-раи.орг/леарн.хтмл) и Аугер опсерваторија у Аргентини (хттп:/ /ввв.аугер.орг/). Поред тога, НАСА сарађује са Европском свемирском агенцијом на постављању свемирске опсерваторије Ектреме Универсе (хттп://акуила.лбл.гов/ЕУСО/) на Међународној свемирској станици. Предложена мисија ОВЛ би, из орбите, гледала надоле према ваздушним пљусковима, посматрајући регион велик као Тексас.
Ови научници снимају бљескове и врше попис субатомских шрапнела, радећи уназад како би израчунали колико је енергије потребно једној честици да направи атмосферску каскаду. Долазе до шокантне бројке од 10^20 електрон-волти (еВ) или више. (Поређења ради, енергија у честици жуте светлости је 2 еВ, а електрони у вашој телевизијској цеви су у енергетском опсегу од хиљаду електрон волти.)
Ове ултрависоке честице доживљавају бизарне ефекте предвиђене Ајнштајновом теоријом специјалне релативности. Ако бисмо могли да их посматрамо како долазе из удаљеног угла космоса, рецимо сто милиона светлосних година далеко, морали бисмо да будемо стрпљиви – биће потребно сто милиона година да завршимо путовање. Међутим, ако бисмо могли да путујемо са честицама, путовање је завршено за мање од једног дана због дилатације времена објеката који се брзо крећу, мерено од стране посматрача.
Космички зраци највише енергије не могу ни доћи до нас ако су произведени из удаљених извора, јер се сударају и губе енергију са космичким микроталасним фотонима преосталим од Великог праска. Извори ових космичких зрака морају се наћи релативно близу нас, на удаљености од неколико стотина милиона светлосних година. Звезде које експлодирају као експлозије гама зрака налазе се на овој удаљености, тако да су у току интензивни опсервацијски напори да се пронађу остаци гама-зрака који се разликују по ореолима зрачења које стварају космички зраци.
Неколико врста небеских објеката поседује екстремне услове потребне за експлозију честица до УХЕЦР брзина. Ако рафали гама зрака производе УХЕЦР, они то вероватно чине убрзавањем честица у млазовима материје избачених експлозијом при брзини која је близу светлости. Рафали гама зрака имају моћ да убрзају УХЕЦР, али до сада примећени рафали гама зрака били су удаљени, милијарде светлосних година далеко. То не значи да се не могу догодити у близини, унутар граничне удаљености УХЕЦР-а.
Водећи кандидат за дуговечне врсте рафала гама зрака као што је ГРБ941017 је модел супернове/колапсара. Супернове се дешавају када звезда много пута масивнија од Сунца исцрпи своје гориво, узрокујући да се њено језгро сруши под сопственом гравитацијом, док се њени спољни слојеви одувају у огромној термонуклеарној експлозији. Колапсари су посебна врста супернове где је језгро толико масивно да се урушава у црну рупу, објекат толико густ да ништа, чак ни светлост, не може да побегне од њене гравитације унутар хоризонта догађаја црне рупе. Међутим, запажања указују на то да црне рупе неуредно једу, избацују материјал који пролази близу, али не прелази, њихових хоризоната догађаја.
У колапсару, језгро звезде формира диск материјала око новоформиране црне рупе, попут воде која се врти око одвода. Црна рупа троши већину диска, али нешто материје се експлодира у млазовима са полова црне рупе. Млазови продиру кроз звезду која се урушава брзином која је близу светлости, а затим пробијају гас који окружује звезду осуђену на пропаст. Док се млазнице сударају у међузвездани медијум, стварају ударне таласе и успоравају. Унутрашњи удари се такође формирају у млазницама јер се њихове предње ивице успоравају и ударају их одострага млазом материје велике брзине. Ударци убрзавају честице које стварају гама зраке; они би такође могли да убрзају честице до УХЕЦР брзина, према тиму.
„То је као скакање лоптице за пинг понг између весла и стола“, рекао је Дингус. „Како померате весло ближе столу, лопта се све брже одбија. У експлозији гама зрака, весло и сто су гранате избачене у млазу. Турбулентна магнетна поља приморавају честице да рикошетирају између шкољки, убрзавајући их скоро до брзине светлости пре него што се ослободе као УХЕЦР-и.
Детекција неутрина из рафала гама зрака би потврдила случај убрзања космичких зрака рафалима гама зрака. Неутрини су неухватљиве честице настале када се протони високе енергије сударе са фотонима. Неутрини немају електрични набој, па и даље показују у правцу свог извора.
Национална научна фондација тренутно гради ИцеЦубе (хттп://ицецубе.висц.еду/), детектор кубних километара који се налази у леду испод Јужног пола, за тражење емисије неутрина из рафала гама зрака. Међутим, карактеристике акцелератора честица највеће енергије у природи остају трајна мистерија, иако је убрзање експлодирајућих звезда које праве гама-зраке наклоњено откако су то предложили Марио Виетри (Университа ди Рома) и Ели Вакман (Веизман институт). 1995. године.
Тим верује да, иако су друга објашњења могућа за ово запажање, резултат је у складу са УХЕЦР убрзањем у рафалима гама зрака. Видели су и нискоенергетске и високоенергетске гама зраке у експлозији ГРБ941017. Гама зраци ниске енергије су оно што научници очекују од одбијања електрона велике брзине интензивним магнетним пољима, док су високоенергетски зраци оно што се очекује ако се неки од УХЕЦР-ова произведених у експлозији сударају са другим фотонима, стварајући пљусак честица , од којих неки трепере да би произвели високоенергетске гама зраке када се распадну.
Време емитовања гама зрака је такође значајно. Гама зраци ниске енергије су релативно брзо нестали, док су се високоенергетски гама зраци задржали. Ово има смисла ако су две различите класе честица – електрони и протони УХЕЦР-а – одговорне за различите гама зраке. „Електронима је много лакше него протонима да зраче своју енергију. Због тога би емисија нискоенергетских гама зрака из електрона била краћа од високоенергетских гама зрака из протона', рекао је Дингус.
Опсерваторија Комптон гама зрака била је друга од НАСА-иних великих опсерваторија и гама-зрака еквивалентна свемирском телескопу Хабл и рендгенској опсерваторији Цхандра. Комптон је лансиран на свемирском шатлу Атлантис у априлу 1991. године и са 17 тона био је највећи астрофизички терет који је икада летео у то време. На крају своје пионирске мисије, Цомптон је дербиран и поново је ушао у Земљину атмосферу 4. јуна 2000.
Оригинални извор: НАСА-ино саопштење