Αποκαλύπτοντας Κοσμικά Μυστικά:Νέος Χάρτης Αποκαλύπτει την Προέλευση των Σωματιδίων Υπερυψηλής Ενέργειας

Εισαγωγή

Στη δεκαετία του 1930, ο Γάλλος φυσικός Pierre Auger τοποθέτησε μετρητές Geiger κατά μήκος μιας κορυφογραμμής στις Άλπεις και παρατήρησε ότι μερικές φορές χτυπούσαν αυθόρμητα ταυτόχρονα, ακόμη και όταν απείχαν έως και 300 μέτρα μεταξύ τους. Ήξερε ότι τα συμπίπτοντα κλικ προέρχονταν από κοσμικές ακτίνες, φορτισμένα σωματίδια από το διάστημα που χτυπούν σε μόρια αέρα στον ουρανό, προκαλώντας βροχές σωματιδίων που πέφτουν βροχή στο έδαφος. Αλλά ο Auger συνειδητοποίησε ότι για να πυροδοτήσουν οι κοσμικές ακτίνες το είδος των τεράστιων βροχών που έβλεπε, πρέπει να μεταφέρουν φανταστικά ποσά ενέργειας — τόσο πολύ που, έγραψε το 1939, «είναι πραγματικά αδύνατο να φανταστεί κανείς μια μεμονωμένη διαδικασία ικανή να δώσει σε ένα σωματίδιο τέτοια ενέργεια».

Κατά την κατασκευή μεγαλύτερων συστοιχιών μετρητών Geiger και άλλων ειδών ανιχνευτών, οι φυσικοί έμαθαν ότι οι κοσμικές ακτίνες φτάνουν σε ενέργειες τουλάχιστον 100.000 φορές υψηλότερες από ό,τι υποτίθεται ότι ο Auger.

Μια κοσμική ακτίνα είναι απλώς ένας ατομικός πυρήνας - ένα πρωτόνιο ή ένα σύμπλεγμα πρωτονίων και νετρονίων. Ωστόσο, οι σπάνιες που είναι γνωστές ως κοσμικές ακτίνες «υπερυψηλής ενέργειας» έχουν τόση ενέργεια με τις επαγγελματικές μπάλες του τένις. Είναι εκατομμύρια φορές πιο ενεργητικά από τα πρωτόνια που περιστρέφονται γύρω από την κυκλική σήραγγα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων στην Ευρώπη με 99,9999991% της ταχύτητας του φωτός. Στην πραγματικότητα, η πιο ενεργητική κοσμική ακτίνα που έχει ανιχνευθεί ποτέ, με το παρατσούκλι «σωμάτιο Ωχ-Θεέ μου», χτύπησε τον ουρανό το 1991 με 99,999999999999999999999951% της ταχύτητας του φωτός, δίνοντάς της περίπου την ενέργεια μιας μπάλας που πέφτει από τον ώμο σε ένα μπολ. «Θα έπρεπε να κατασκευάσετε έναν επιταχυντή τόσο μεγάλο όσο η τροχιά του πλανήτη Ερμή για να επιταχύνετε τα πρωτόνια στις ενέργειες που βλέπουμε», δήλωσε ο Ralph Engel, αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καρλσρούης στη Γερμανία και συνεπικεφαλής του μεγαλύτερου παρατηρητηρίου κοσμικών ακτίνων στον κόσμο, του Παρατηρητηρίου Pierre Argentina.

Το ερώτημα είναι:Τι υπάρχει εκεί έξω στο διάστημα που κάνει την επιτάχυνση;

Οι εκρήξεις σουπερνόβα πιστεύεται τώρα ότι είναι ικανές να παράγουν τις εκπληκτικά ενεργητικές κοσμικές ακτίνες που παρατήρησε για πρώτη φορά ο Auger πριν από 82 χρόνια. Τα σουπερνόβα δεν μπορούν να δώσουν τα πολύ πιο εκπληκτικά σωματίδια που έχουν παρατηρηθεί από τότε. Η προέλευση αυτών των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας παραμένει αβέβαιη. Ωστόσο, μια σειρά πρόσφατων προόδων έχει περιορίσει σημαντικά την αναζήτηση.

Το 2017, το Παρατηρητήριο Auger ανακοίνωσε μια σημαντική ανακάλυψη. Με τους 1.600 ανιχνευτές σωματιδίων και τα 27 τηλεσκόπια του να διασκορπίζουν ένα κομμάτι αργεντίνικου λιβάδι στο μέγεθος του Ρόουντ Άιλαντ, το παρατηρητήριο είχε καταγράψει τις βροχές αέρα εκατοντάδων χιλιάδων κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας τα προηγούμενα 13 χρόνια. Η ομάδα ανέφερε ότι 6% περισσότερες από τις ακτίνες προέρχονται από το ένα μισό του ουρανού από το άλλο — το πρώτο σχέδιο που έχει εντοπιστεί οριστικά στις κατευθύνσεις άφιξης των κοσμικών ακτίνων.

Πρόσφατα, τρεις θεωρητικοί στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης πρόσφεραν μια κομψή εξήγηση για την ανισορροπία που οι ειδικοί θεωρούν εξαιρετικά πειστική. Το νέο έγγραφο, των Chen Ding, Noémie Globus και Glennys Farrar, υπονοεί ότι οι υπερισχυροί επιταχυντές κοσμικών ακτίνων είναι πανταχού παρόντες, κοσμικά μιλώντας, και όχι σπάνιοι.

Το Παρατηρητήριο Auger και η Συστοιχία Τηλεσκοπίων στη Γιούτα έχουν επίσης ανιχνεύσει μικρότερες, πιο λεπτές κοσμικές ακτίνες «καυτά σημεία» στον ουρανό - πιθανώς τις τοποθεσίες κοντινών πηγών. Ορισμένα υποψήφια αντικείμενα βρίσκονται στις σωστές θέσεις.

Περισσότερες ενδείξεις έχουν φτάσει με τη μορφή υπερ-ενεργητικών νετρίνων, τα οποία παράγονται από κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας. Συλλογικά, οι πρόσφατες ανακαλύψεις έχουν επικεντρώσει την αναζήτηση των υπερισχυρών επιταχυντών του σύμπαντος σε τρεις κύριους διεκδικητές. Τώρα, οι θεωρητικοί είναι απασχολημένοι με τη μοντελοποίηση αυτών των αστροφυσικών αντικειμένων για να δουν αν είναι πράγματι ικανά να πετάξουν αρκετά γρήγορα σωματίδια προς το μέρος μας, και αν ναι, πώς.

Αυτές οι εικασίες είναι ολοκαίνουργιες και δεν περιορίζονται από κανένα στοιχείο. «Αν πηγαίνεις σε υψηλές ενέργειες, τα πράγματα είναι πραγματικά ανεξερεύνητα», είπε ο Ένγκελ. "Πηγαίνετε πραγματικά κάπου όπου όλα είναι κενά."

Μια πρόστιμη ανισορροπία

Για να μάθετε τι δημιουργεί τις κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας, το πρώτο βήμα είναι να δείτε από πού προέρχονται. Το πρόβλημα είναι ότι, επειδή τα σωματίδια είναι ηλεκτρικά φορτισμένα, δεν ταξιδεύουν εδώ σε ευθείες γραμμές. τα μονοπάτια τους κάμπτονται καθώς περνούν μέσα από μαγνητικά πεδία.

Επιπλέον, τα σωματίδια υπερυψηλής ενέργειας είναι σπάνια, χτυπώντας κάθε τετραγωνικό χιλιόμετρο του ουρανού της Γης μόνο περίπου μία φορά το χρόνο. Ο εντοπισμός οποιουδήποτε μοτίβου στις κατευθύνσεις άφιξης απαιτεί την εξάλειψη λεπτών στατιστικών ανισορροπιών από ένα τεράστιο σύνολο δεδομένων.

Κανείς δεν ήξερε πόσα δεδομένα θα χρειάζονταν πριν εμφανιστούν τα μοτίβα. Οι φυσικοί πέρασαν δεκαετίες κατασκευάζοντας ολοένα και μεγαλύτερες σειρές ανιχνευτών χωρίς να δουν ούτε μια ένδειξη μοτίβου. Στη συνέχεια, στις αρχές της δεκαετίας του 1990, ο Σκοτσέζος αστροφυσικός Alan Watson και ο Αμερικανός φυσικός Jim Cronin αποφάσισαν να προχωρήσουν πολύ. Ξεκίνησαν αυτό που θα γινόταν το Παρατηρητήριο Auger 3.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων.

Τελικά, αυτό ήταν αρκετό. Όταν η ομάδα του Auger ανέφερε στο Science το 2017 ότι είχε ανιχνεύσει μια ανισορροπία 6% μεταξύ δύο μισών του ουρανού - όπου μια περίσσεια σωματιδίων από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση στον ουρανό μεταβαλλόταν ομαλά σε ένα έλλειμμα με επίκεντρο την αντίθετη κατεύθυνση - "αυτό ήταν φανταστικά συναρπαστικό", είπε ο Watson. "Έχω εργαστεί σε αυτόν τον τομέα για πολύ, πολύ καιρό" - από τη δεκαετία του 1960 - "και αυτή είναι η πρώτη φορά που είχαμε μια ανισοτροπία."

Samuel Velasco/Quanta Magazine; Πηγή:arxiv.org/pdf/2101.04564

Αλλά και τα δεδομένα ήταν μπερδεμένα. Η κατεύθυνση της περίσσειας της κοσμικής ακτίνας δεν ήταν πουθενά κοντά στο κέντρο του γαλαξία του Γαλαξία, υποστηρίζοντας τη μακροχρόνια υπόθεση ότι οι κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας προέρχονται από έξω από τον γαλαξία. Αλλά δεν ήταν κοντά σε τίποτα. Δεν αντιστοιχούσε στη θέση κάποιου ισχυρού αστροφυσικού αντικειμένου όπως μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα σε έναν γειτονικό γαλαξία. Δεν ήταν το σμήνος της Παρθένου, η πυκνή κοντινή συγκέντρωση γαλαξιών. Ήταν απλώς ένα θαμπό, σκοτεινό σημείο κοντά στον αστερισμό Κυνός.

Η Noémie Globus, τότε μεταδιδακτορική στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ, είδε αμέσως έναν τρόπο να εξηγήσει το μοτίβο. Ξεκίνησε κάνοντας μια απλοποίηση:ότι κάθε κομμάτι ύλης στο σύμπαν έχει την ίδια πιθανότητα να παράγει κάποιο μικρό αριθμό κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας. Στη συνέχεια χαρτογράφησε πώς αυτές οι κοσμικές ακτίνες θα κάμπτονται ελαφρώς καθώς προέρχονται από κοντινούς γαλαξίες, ομάδες γαλαξιών και σμήνη - συλλογικά γνωστά ως δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος - και θα ταξιδεύουν εδώ μέσα από τα ασθενή μαγνητικά πεδία του διαγαλαξιακού χώρου. Φυσικά, ο προσποιούμενος χάρτης της ήταν απλώς μια θολή εικόνα της ίδιας της δομής μεγάλης κλίμακας, με την υψηλότερη συγκέντρωση κοσμικών ακτίνων να προέρχονται από την Παρθένο.

Η περίσσεια κοσμικών ακτίνων της δεν ήταν στο σωστό σημείο για να εξηγήσει τα δεδομένα του Auger, αλλά νόμιζε ότι ήξερε γιατί:επειδή δεν είχε υπολογίσει επαρκώς το μαγνητικό πεδίο του Γαλαξία. Το 2019, η Globus μετακόμισε στο NYU για να συνεργαστεί με τον αστροφυσικό Glennys Farrar, του οποίου το μοντέλο του 2012 του μαγνητικού πεδίου του Milky Way, που αναπτύχθηκε με τον τότε πτυχιούχο φοιτητή της Ronnie Jansson, παραμένει τελευταίας τεχνολογίας. Αν και κανείς δεν έχει καταλάβει ακόμη γιατί το μαγνητικό πεδίο του γαλαξία έχει το σχήμα του όπως είναι, οι Farrar και Jansson συνήγαγαν τη γεωμετρία του από 40.000 μετρήσεις πολωμένου φωτός. Διαπίστωσαν ότι οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι τόσο δεξιόστροφα όσο και αριστερόστροφα κατά μήκος των σπειροειδών βραχιόνων του γαλαξία και προέρχονται κάθετα από τον γαλαξιακό δίσκο, στρίβοντας καθώς ανεβαίνουν.

Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Farrar, Chen Ding, έγραψε κώδικα που βελτίωσε τον χάρτη του Globus με τις υπερυψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες που προέρχονται από τη δομή μεγάλης κλίμακας και στη συνέχεια πέρασε αυτή την είσοδο μέσω του παραμορφωτικού φακού του γαλαξιακού μαγνητικού πεδίου όπως μοντελοποιήθηκε από τους Farrar και Jansson. "Και ιδού, έχουμε αυτή την αξιοσημείωτη συμφωνία με τις παρατηρήσεις", είπε ο Farrar.

Οι κοσμικές ακτίνες που προέρχονται από την Παρθένο κάμπτονται γύρω στις περιστρεφόμενες γραμμές πεδίου του γαλαξία, έτσι ώστε να μας χτυπούν από την κατεύθυνση του Κυνός Μεγάλου, όπου ο Auger βλέπει το κέντρο της υπερβολής του. Οι ερευνητές ανέλυσαν πώς θα άλλαζε το μοτίβο που θα προέκυπτε για τις κοσμικές ακτίνες διαφορετικών ενεργειών. Έβρισκαν σταθερά μια στενή αντιστοίχιση με διαφορετικά υποσύνολα δεδομένων του Auger.

Το «συνεχές μοντέλο» των ερευνητών για την προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας είναι μια απλοποίηση - κάθε κομμάτι ύλης δεν εκπέμπει κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας. Αλλά η εντυπωσιακή επιτυχία του αποκαλύπτει ότι οι πραγματικές πηγές των ακτίνων είναι άφθονες και απλώνονται ομοιόμορφα σε όλη την ύλη, ανιχνεύοντας τη δομή μεγάλης κλίμακας. Η μελέτη, η οποία θα εμφανιστεί στο The Astrophysical Journal Letters , έχει αποσπάσει ευρέως διαδεδομένους επαίνους. "Αυτό είναι πραγματικά ένα φανταστικό βήμα", είπε ο Watson.

Αμέσως, ορισμένα αποθέματα αυξήθηκαν:συγκεκριμένα, τρεις τύποι υποψήφιων αντικειμένων που περνούν τη βελόνα είναι σχετικά κοινά στον κόσμο, αλλά δυνητικά αρκετά ειδικά ώστε να δίνουν σωματίδια Oh-My-God.

Αστέρια Ίκαρος

Το 2008, ο Farrar και ένας συν-συγγραφέας πρότειναν ότι οι κατακλυσμοί που ονομάζονται παλιρροϊκά γεγονότα (TDEs) μπορεί να είναι η πηγή κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας.

Μια TDE συμβαίνει όταν ένα αστέρι τραβάει έναν Ίκαρο και πλησιάζει πολύ σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Το μπροστινό μέρος του αστεριού αισθάνεται τόσο πολύ περισσότερη βαρύτητα από το πίσω μέρος του, που το αστέρι σκίζεται σε σκάλες και στροβιλίζεται στην άβυσσο. Το στροβιλισμό διαρκεί περίπου ένα χρόνο. Όσο διαρκεί, δύο πίδακες υλικού - τα υποατομικά τεμάχια του διαταραγμένου αστεριού - εκτοξεύονται από τη μαύρη τρύπα σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα κρουστικά κύματα και τα μαγνητικά πεδία σε αυτές τις δέσμες μπορεί στη συνέχεια να συνωμοτήσουν για να επιταχύνουν τους πυρήνες σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες πριν τους εκτοξεύσουν στο διάστημα.

Τα γεγονότα παλιρροϊκής διαταραχής συμβαίνουν περίπου μία φορά κάθε 100.000 χρόνια σε κάθε γαλαξία, κάτι που είναι το κοσμολογικό ισοδύναμο του να συμβαίνει παντού όλη την ώρα. Εφόσον οι γαλαξίες εντοπίζουν την κατανομή της ύλης, οι TDEs θα μπορούσαν να εξηγήσουν την επιτυχία του συνεχούς μοντέλου των Ding, Globus και Farrar.

Επιπλέον, το σχετικά σύντομο φλας ενός TDE λύνει άλλους γρίφους. Μέχρι τη στιγμή που η κοσμική ακτίνα ενός TDE φτάσει σε εμάς, το TDE θα είναι σκοτεινό για χιλιάδες χρόνια. Άλλες κοσμικές ακτίνες από το ίδιο TDE μπορεί να ακολουθήσουν ξεχωριστές λυγισμένες διαδρομές. μερικοί μπορεί να μην φτάσουν για αιώνες. Η παροδική φύση ενός TDE θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί φαίνεται να υπάρχει τόσο μικρό σχέδιο στις κατευθύνσεις άφιξης των κοσμικών ακτίνων, χωρίς ισχυρούς συσχετισμούς με τις θέσεις των γνωστών αντικειμένων. "Έχω την τάση τώρα να πιστεύω ότι είναι παροδικά, κυρίως", είπε ο Farrar για την προέλευση των ακτίνων.

Η υπόθεση TDE πήρε άλλη μια ώθηση πρόσφατα, από μια παρατήρηση που αναφέρθηκε στο Nature Astronomy τον Φεβρουάριο.

Ο Ρόμπερτ Στάιν, ένας από τους συγγραφείς της εφημερίδας, χειριζόταν ένα τηλεσκόπιο στην Καλιφόρνια με το όνομα Zwicky Transient Factory τον Οκτώβριο του 2019 όταν ήρθε μια ειδοποίηση από το παρατηρητήριο νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική. Ο IceCube είχε εντοπίσει ένα ιδιαίτερα ενεργητικό νετρίνο. Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας παράγονται όταν οι κοσμικές ακτίνες ακόμη υψηλότερης ενέργειας διασκορπίζουν το φως ή την ύλη στο περιβάλλον όπου δημιουργούνται. Ευτυχώς, τα νετρίνα, όντας ουδέτερα, ταξιδεύουν προς εμάς σε ευθείες γραμμές, έτσι δείχνουν κατευθείαν πίσω στην πηγή της μητρικής τους κοσμικής ακτίνας.

Ο Στάιν περιέστρεψε το τηλεσκόπιο προς την κατεύθυνση άφιξης του νετρίνου του IceCube. "Είδαμε αμέσως ότι υπήρξε ένα γεγονός παλιρροϊκής διακοπής από τη θέση από την οποία είχε φτάσει το νετρίνο", είπε.

Η αντιστοιχία καθιστά πιο πιθανό ότι οι TDEs είναι τουλάχιστον μία πηγή κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας. Ωστόσο, η ενέργεια του νετρίνου ήταν πιθανώς πολύ χαμηλή για να αποδείξει ότι τα TDE παράγουν τις ακτίνες πολύ υψηλότερης ενέργειας. Μερικοί ερευνητές αμφισβητούν έντονα εάν αυτά τα μεταβατικά γεγονότα μπορούν να επιταχύνουν τους πυρήνες στο ακραίο άκρο του παρατηρούμενου ενεργειακού φάσματος. Οι θεωρητικοί εξακολουθούν να διερευνούν πώς τα γεγονότα θα μπορούσαν να επιταχύνουν τα σωματίδια στην πρώτη θέση.

Εν τω μεταξύ, άλλα γεγονότα έχουν στρέψει την προσοχή ορισμένων ερευνητών αλλού.

Starburst Superwinds

Παρατηρητήρια κοσμικών ακτίνων όπως το Auger και η Συστοιχία Τηλεσκοπίων έχουν επίσης βρει μερικά καυτά σημεία - μικρές, ανεπαίσθητες συγκεντρώσεις στις κατευθύνσεις άφιξης των κοσμικών ακτίνων πολύ υψηλότερης ενέργειας. Το 2018, ο Auger δημοσίευσε τα αποτελέσματα μιας σύγκρισης των καυτών σημείων του με τις θέσεις των αστροφυσικών αντικειμένων σε απόσταση λίγων εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός από εδώ. (Οι κοσμικές ακτίνες από πιο μακριά θα έχαναν πάρα πολύ ενέργεια σε συγκρούσεις στο μέσο του ταξιδιού.)

Στον διαγωνισμό διασυσχέτισης, κανένας τύπος αντικειμένου δεν είχε εξαιρετικά καλή απόδοση — κατανοητό, δεδομένης της εμπειρίας εκτροπής των κοσμικών ακτίνων. Αλλά η ισχυρότερη συσχέτιση εξέπληξε πολλούς ειδικούς:Περίπου το 10% των ακτίνων προέρχονταν από 13 μοίρες από τις κατευθύνσεις των λεγόμενων «γαλαξιών με έκρηξη αστεριών». «Δεν ήταν στο πιάτο μου αρχικά», είπε ο Michael Unger του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης, μέλος της ομάδας Auger.

Κανείς δεν ενθουσιάστηκε περισσότερο από τον Luis Anchordoqui, έναν αστροφυσικό στο Lehman College του Πανεπιστημίου City της Νέας Υόρκης, ο οποίος πρότεινε τους γαλαξίες με αστρική έκρηξη ως την προέλευση των κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας το 1999.

Οι γαλαξίες με εκρήξεις αστεριών κατασκευάζουν συνεχώς πολλά τεράστια αστέρια. Τα ογκώδη αστέρια ζουν γρήγορα και πεθαίνουν νέοι σε εκρήξεις σουπερνόβα και ο Anchordoqui υποστηρίζει ότι ο «υπεράνεμος» που σχηματίζεται από τα συλλογικά κύματα κρούσης όλων των σουπερνόβα είναι αυτός που επιταχύνει τις κοσμικές ακτίνες στις εκπληκτικές ταχύτητες που ανιχνεύουμε.

Δεν είναι όλοι σίγουροι ότι αυτός ο μηχανισμός θα λειτουργούσε. «Το ερώτημα είναι:Πόσο γρήγορα είναι αυτά τα σοκ;» είπε ο Frank Rieger, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης. "Πρέπει να περιμένω από αυτούς να πάνε στις υψηλότερες ενέργειες; Αυτή τη στιγμή αμφιβάλλω γι' αυτό."

Άλλοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι τα αντικείμενα μέσα σε γαλαξίες με εκρήξεις αστεριών μπορεί να δρουν ως επιταχυντές κοσμικών ακτίνων και ότι η μελέτη διασταυρούμενης συσχέτισης απλώς συλλέγει μια αφθονία αυτών των άλλων αντικειμένων. "Ως άτομο που σκέφτεται τα παροδικά γεγονότα ως φυσική πηγή, αυτά είναι πολύ εμπλουτισμένα σε γαλαξίες με αστερίες, οπότε δεν έχω κανένα πρόβλημα", είπε ο Farrar.

Ενεργοί γαλαξίες

Στη μελέτη διασταυρούμενης συσχέτισης, ένα άλλο είδος αντικειμένου είχε σχεδόν αλλά όχι τόσο καλή απόδοση με τους γαλαξίες με αστρική έκρηξη:αντικείμενα που ονομάζονται ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες ή AGN.

Τα AGN είναι τα λευκά-καυτά κέντρα των «ενεργών» γαλαξιών, στα οποία το πλάσμα καταπίνει την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα απορροφά το πλάσμα ενώ εκτοξεύει τεράστιους πίδακες μεγάλης διάρκειας.

Τα μέλη υψηλής ισχύος ενός ιδιαίτερα φωτεινού υποσυνόλου που ονομάζεται "radio-loud" AGNs είναι τα πιο φωτεινά επίμονα αντικείμενα στο σύμπαν, επομένως είναι εδώ και καιρό κορυφαίοι υποψήφιοι για την πηγή κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας.

Ωστόσο, αυτά τα πανίσχυρα AGN με ραδιοφωνικό κύμα είναι πολύ σπάνια στον κόσμο για να περάσουν τη δοκιμή Ding, Globus και Farrar:Δεν θα μπορούσαν ενδεχομένως να είναι ιχνηθέτες για τη δομή μεγάλης κλίμακας. Στην πραγματικότητα, μέσα στην κοσμική γειτονιά μας, δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου. "Είναι ωραίες πηγές, αλλά όχι στην αυλή μας", είπε ο Rieger.

Τα λιγότερο ισχυρά AGN με ραδιοσυχνότητες είναι πολύ πιο συνηθισμένα και θα μπορούσαν ενδεχομένως να μοιάζουν με το συνεχές μοντέλο. Ο Κένταυρος Α, για παράδειγμα, το πλησιέστερο ραδιοφωνικό AGN, βρίσκεται ακριβώς στο πιο σημαντικό hot spot του Αστεροσκοπείου Auger. (Το ίδιο και ένας γαλαξίας με αστερίες.)

Για μεγάλο χρονικό διάστημα ο Rieger και άλλοι ειδικοί πάλευαν σοβαρά να αποκτήσουν AGN χαμηλής ισχύος για να επιταχύνουν τα πρωτόνια στα επίπεδα σωματιδίων Oh-My-God. Ωστόσο, ένα πρόσφατο εύρημα τους έφερε "πίσω στο παιχνίδι", είπε.

Οι αστροφυσικοί γνώριζαν από καιρό ότι περίπου το 90% όλων των κοσμικών ακτίνων είναι πρωτόνια (δηλαδή πυρήνες υδρογόνου). άλλο 9% είναι πυρήνες ηλίου. Οι ακτίνες μπορεί να είναι βαρύτεροι πυρήνες, όπως οξυγόνο ή ακόμη και σίδηρος, αλλά οι ειδικοί υπέθεταν εδώ και καιρό ότι θα διασπώνταν από τις βίαιες διαδικασίες που απαιτούνται για την επιτάχυνση των κοσμικών ακτίνων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.

Στη συνέχεια, σε εκπληκτικά ευρήματα στις αρχές της δεκαετίας του 2010, οι επιστήμονες του Auger Observatory συμπέραναν από τα σχήματα των ντους αέρα ότι οι ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας είναι κυρίως πυρήνες μεσαίου βάρους, όπως ο άνθρακας, το άζωτο και το πυρίτιο. Αυτοί οι πυρήνες θα επιτύχουν την ίδια ενέργεια με τα πρωτόνια ενώ ταξιδεύουν με χαμηλότερες ταχύτητες. Και αυτό, με τη σειρά του, καθιστά ευκολότερο να φανταστούμε πώς μπορεί να λειτουργήσει οποιοσδήποτε από τους υποψήφιους κοσμικούς επιταχυντές.

Για παράδειγμα, ο Rieger εντόπισε έναν μηχανισμό που θα επέτρεπε στα AGN χαμηλής ισχύος να επιταχύνουν βαρύτερες κοσμικές ακτίνες σε υπερυψηλές ενέργειες:Ένα σωματίδιο θα μπορούσε να παρασύρεται από τη μία πλευρά στην άλλη στον πίδακα ενός AGN, κλωτσώντας κάθε φορά που επανέρχεται στο ταχύτερο μέρος της ροής. «Σε αυτή την περίπτωση διαπιστώνουν ότι μπορούν να το κάνουν αυτό με ραδιοφωνικές πηγές χαμηλής ισχύος», είπε ο Ρίγκερ. "Αυτά θα ήταν πολύ περισσότερα στην αυλή μας."

Μια άλλη εργασία διερεύνησε εάν τα γεγονότα παλιρροϊκής διακοπής θα παρήγαγαν φυσικά πυρήνες μεσαίου βάρους. «Η απάντηση είναι ότι θα μπορούσε να συμβεί εάν τα αστέρια που διαταράσσονται είναι λευκοί νάνοι», είπε η Σεσίλια Λουναρντίνι, αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που συνέγραψε την εργασία. «Οι λευκοί νάνοι έχουν αυτού του είδους τη σύνθεση - άνθρακα, άζωτο». Φυσικά, τα TDE μπορούν να συμβούν σε οποιοδήποτε «άτυχο αστέρι», είπε ο Lunardini. "Αλλά υπάρχουν πολλοί λευκοί νάνοι, επομένως δεν το βλέπω ως κάτι πολύ επινοημένο."

Οι ερευνητές συνεχίζουν να διερευνούν τις επιπτώσεις των κοσμικών ακτίνων με την υψηλότερη ενέργεια να βρίσκονται στη βαριά πλευρά. Αλλά μπορούν να συμφωνήσουν ότι διευκολύνει το πρόβλημα του τρόπου επιτάχυνσής τους. "Η βαριά σύνθεση προς υψηλότερη ενέργεια χαλαρώνει τα πράγματα πολύ περισσότερο", είπε ο Rieger.

Κύρια πηγή

Καθώς η σύντομη λίστα των υποψηφίων επιταχυντών αποκρυσταλλώνεται, η αναζήτηση της σωστής απάντησης θα συνεχίσει να καθοδηγείται από νέες παρατηρήσεις. Όλοι είναι ενθουσιασμένοι για το AugerPrime, ένα αναβαθμισμένο παρατηρητήριο. Αρχίζοντας αργότερα φέτος, θα προσδιορίζει τη σύνθεση κάθε μεμονωμένου γεγονότος κοσμικής ακτίνας, αντί να υπολογίζει τη συνολική σύνθεση. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να απομονώσουν τα πρωτόνια, τα οποία εκτρέπονται λιγότερο στο δρόμο τους προς τη Γη, και να κοιτάξουν πίσω στις οδηγίες άφιξής τους για να εντοπίσουν μεμονωμένες πηγές. (Αυτές οι πηγές θα παρήγαγαν πιθανώς και τους βαρύτερους πυρήνες.)

Πολλοί ειδικοί υποπτεύονται ότι ένας συνδυασμός πηγών μπορεί να συμβάλει στο φάσμα υπερυψηλής ενέργειας κοσμικής ακτίνας. Αλλά γενικά αναμένουν ότι ένας τύπος πηγής θα κυριαρχήσει και μόνο ένας θα φτάσει στο ακραίο άκρο του φάσματος. «Τα λεφτά μου είναι μόνο ένα», είπε ο Unger.

Σημείωση του συντάκτη:Η Noémie Globus είναι επί του παρόντος συνδεδεμένη με την ELI Beamlines στην Τσεχική Δημοκρατία και το Flatiron Institute στη Νέα Υόρκη. Το Ινστιτούτο Flatiron χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Συνεργασία με το Ίδρυμα Simons δεν έχει καμία σχέση με την κάλυψή μας .

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com .