Кредит зображення: NASA
Астрономи вважають, що вибухи гамма-променів, найпотужніші вибухи у Всесвіті, можуть породжувати космічні промені надвисокої енергії, найбільш енергетичні частинки Всесвіту. Докази, зібрані дебіторізованою обсерваторією Комптон-Гамма-Рей в Нассоні, показали, що в одному екземплярі вибуху гамма-променів ці високоенергетичні частинки панували в зоні, яка дає зв'язок між ними, але це навряд чи достатньо доказів, щоб сказати, що вони повністю пов'язані .
Найновіші вибухи у Всесвіті, вибухи гамма-променів, можуть генерувати найенергетичніші частинки Всесвіту, відомі як космічні промені ультрависокої енергії (UHECR), згідно з новим аналізом спостережень NASA Compton Gamma-Ray обсерваторії NASA.
Дослідники повідомляють у виданні Nature від 14 серпня про нововиявлений візерунок у світлі від цих загадкових сплесків, які можна пояснити протонами, що рухаються в межах ширини світла волосся.
Ці протони, як шрапнель від вибуху, можуть бути УГВК. Такі космічні промені є рідкісними і складають невпинну таємницю в астрофізиці, здавалося б, не піддаючись фізичному поясненню, оскільки вони просто надто енергетичні, щоб їх генерували відомі механізми, такі як вибухи наднової.
"Космічні промені" забувають ", звідки вони беруться, тому що, на відміну від світла, їх магнітними полями ковтають у просторі", - сказала провідна авторка Марія Магдалена Гонсалес з Національної лабораторії Лос-Аламоса в Нью-Мексико та аспірантка університету Вісконсина. "Цей результат є захоплюючим шансом, можливо, побачити докази їх отримання у джерелі".
Вибухи гамма-променів - таємниця вчених нарешті починає розгадуватися - можуть сяяти так блискуче, як мільйон трильйонів сонців, і багато хто може бути від незвичайно потужного типу вибухової зірки. Сплески звичайні, але випадкові і швидкоплинні, тривають лише секунди.
Космічні промені - це атомні частинки (наприклад, електрони, протони чи нейтрино), що рухаються близько до швидкості світла. Космічні промені нижчої енергії бомбардують Землю постійно, приводячи в дію сонячні спалахи і типові вибухи зірок. UHECR, кожна атомна частинка, яка несе енергію бейсболу, кинутого в Вищі ліги, в сто мільйонів разів енергічніша, ніж частинки, що утворюються в найбільших ускорених людьми прискорювачах.
Вчені кажуть, що UHECR повинні бути вироблені відносно близько до Землі, оскільки будь-яка частинка, яка подорожує більше 100 мільйонів світлових років, втратила б частину своєї енергії до того моменту, як вона дійшла до нас. Але жодне місцеве джерело звичайних космічних променів не здається достатньо потужним для генерування UHECR.
Документ під керівництвом Гонсалеса зосереджується не лише на виробництві UHECR, а на новій схемі світла, що спостерігається при вибуху гамма-випромінювання. Копаючи глибоко в архівах Обсерваторії Комптон (місія закінчилася в 2000 році), група виявила, що вибух гамма-випромінювання з 1994 року, названий GRB941017, виявляється відмінним від інших 2700-ми вибухів, зафіксованих цим космічним кораблем. Цей вибух був розташований у напрямку сузір'я Sagitta, Стріла, ймовірно, за десять мільярдів світлових років.
Те, що вчені називають гамма-променями, - це фотони (частинки світла), що покривають широкий спектр енергій, насправді в мільйон разів ширші за енергію, яку наші очі реєструють як кольори веселки. Група Гонсалеса роздивилася фотони вищої енергії гамма-променів. Вчені виявили, що ці типи фотонів домінували у вибуху: вони були принаймні втричі потужнішими, ніж компонент з нижчим енергією, але, на диво, у тисячі разів потужніші приблизно через 100 секунд.
Тобто, поки потік фотонів нижчої енергії, що потрапляє на детектори супутника, почав зменшуватися, потік фотонів з вищою енергією залишався стабільним. Цей висновок суперечить популярній "синхротронній ударній моделі", що описує більшість вибухів. Тож чим можна пояснити це збагачення фотонів вищої енергії?
"Одне з пояснень полягає в тому, що космічні промені ультрависоких енергій відповідають, але саме те, як вони створюють гамма-промені з енергетичними візерунками, які ми бачили, потребує великого обчислення", - сказала доктор Бренда Дінгус із співавтора LANL. "Ми будемо тримати деяких теоретиків зайнятими спробами розібратися в цьому".
Затримка введення електронів надвисокої енергії дає ще один спосіб пояснити несподівано великий високоенергетичний потік гамма-променів, який спостерігається в GRB 941017. Але це пояснення потребує перегляду стандартної моделі розриву, сказав співавтор доктор Чарльз Дермер, теоретичний астрофізик у Військово-морській лабораторії США у Вашингтоні. "У будь-якому випадку цей результат виявляє новий процес, що відбувається в результаті вибухів гамма-променів", - сказав він.
Вибухи гамма-променів не були виявлені за 100 мільйонів світлових років від Землі, але через еони ці види вибухів можуть відбуватися локально. Якщо так, за словами Дінгуса, механізм, який бачила її група в GRB 941017, міг би бути продубльований близько до дому, достатньо близько, щоб поставити UHECR, які ми бачимо сьогодні.
Інші вибухи в архіві Обсерваторії Комптона, можливо, демонстрували подібну схему, але дані не є переконливими. Гамма-променевий телескоп великої площі NASA (GLAST), запланований до запуску в 2006 році, матиме достатньо потужні детектори для вирішення фотонів вищої енергії гамма-променів і для вирішення цієї таємниці.
Співавторами доповіді Nature також є доктор наук. аспірант Юкі Канеко, доктор Роберт Прайс та доктор Майкл Бріггс з університету Алабами в Хантсвілі. Це дослідження фінансувалося НАСА та Управлінням морських досліджень.
UHECR спостерігаються, коли вони врізаються в нашу атмосферу, як показано на малюнку. Енергія від зіткнення виробляє повітряний злив мільярдів субатомних частинок і спалахів ультрафіолетового світла, які виявляються спеціальними приладами.
Національний науковий фонд та міжнародні співпрацівники спонсорували інструменти на місцях, такі як Очі мухи високої роздільної здатності в штаті Юта (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) та Обсерваторія Шнека в Аргентині (http: / /www.auger.org/). Крім того, NASA співпрацює з Європейським космічним агентством для розміщення Екстремальної космічної обсерваторії Всесвіту (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) на Міжнародній космічній станції. Запропонована місія OWL буде з орбіти дивитися вниз до повітряних зливів, дивлячись на регіон, великий як Техас.
Ці вчені фіксують спалахи і проводять перепис субатомного шрапнелі, працюючи назад, щоб обчислити, скільки енергії потрібно одній частинці, щоб зробити атмосферний каскад. Вони досягають шокуючої цифри 10 ^ 20 електрон-вольт (еВ) або більше. (Для порівняння, енергія частинки жовтого світла дорівнює 2 еВ, а електрони у вашій телевізійній трубці знаходяться в енергетичному діапазоні тисячі вольт.)
Ці надвисокі енергетичні частинки відчувають химерні ефекти, передбачені теорією особливої відносності Ейнштейна. Якщо ми могли б спостерігати, як вони виходять із віддаленого куточка космосу, скажімо, за сто мільйонів світлових років, нам би набратися терпіння - на повну подорож піде сто мільйонів років. Однак, якщо ми могли б подорожувати з частинками, поїздка закінчується менше ніж за добу через збільшення часу, що швидко рухається об'єктів, як вимірює спостерігач.
Космічні промені з найвищою енергією навіть не можуть дійти до нас, якщо їх виробляють з далеких джерел, оскільки вони стикаються і втрачають енергію за допомогою космічних мікронів СВЧ, що залишилися від великого удару. Джерела цих космічних променів повинні знаходитись відносно близько до нас, на відстані кількох сотень мільйонів світлових років. На цій відстані знаходяться зірки, які вибухають під час вибуху гамма-випромінювання, тому ведуться інтенсивні спостережливі роботи для пошуку залишків вибуху гамма-випромінювання, що відрізняються ореолами випромінювання космічних променів.
Мало видів небесних об'єктів мають екстремальні умови, необхідні для вибуху частинок до швидкостей UHECR. Якщо вибухи гамма-променів виробляють UHECR, вони, ймовірно, роблять це, прискорюючи частинки в струменях речовини, викинутої в результаті вибуху, ближчою до швидкості світла. Вибухи гамма-випромінювання здатні прискорювати UHECR, але спостереження, що спостерігалися до цього часу, були віддаленими, за мільярди світлових років. Це не означає, що вони не можуть відбутися поблизу, в межах відстані UHECR.
Провідним претендентом на довгоживучі види вибухів гамма-променів, як GRB941017, є модель наднової / колапсарної. Супернові трапляються, коли зірка, у багато разів більш масивна, ніж Сонце, вичерпує паливо, внаслідок чого її ядро руйнується під власною гравітацією, тоді як його зовнішні шари здуваються при величезному термоядерному вибуху. Стовпи - це особливий тип наднової, де ядро настільки масивне, що воно руйнується в чорну діру, настільки щільний предмет, що ніщо, навіть світло, не може уникнути його тяжкості в межах горизонту подій чорної діри. Однак спостереження показують, що чорні діри неохайні їдці, викидаючи матеріал, який проходить поруч, але не перетинає їх горизонти подій.
Ядро зірки утворює диск матеріалу навколо новоствореної чорної діри, як вода, що крутиться навколо стоку. Чорна діра споживає більшу частину диска, але частина речовини видувається струменями з полюсів чорної діри. Струмені пробиваються через зіркуючу зірку з ближчою швидкістю світла, а потім пробивають газ, оточуючи приречену зірку. Коли струмені врізаються в міжзоряне середовище, вони створюють ударні хвилі і сповільнюються. Внутрішні поштовхи також утворюються в струменях, оскільки їх передні краї сповільнюються і грюкають ззаду потоком швидкодіючої речовини. Удари прискорюють частинки, які генерують гамма-промені; За даними команди, вони також могли прискорити часточки до швидкостей UHECR.
"Це як би стрибати кулю для пінг-понгу між веслом і столом", - сказав Дінгус. "Коли ви рухаєте весло ближче до столу, м'яч підстрибує все швидше і швидше. Під час вибуху гамма-променів весло і стіл - це снаряди, викинуті в струмінь. Турбулентні магнітні поля змушують частинки до рикошету між оболонками, прискорюючи їх майже до швидкості світла, перш ніж вони вирвуться як UHECR. "
Виявлення нейтрино у спалах гамма-променів спричинило б прискорення космічного проміння вибухами гамма-променів. Нейтрино - це невловимі частинки, що утворюються, коли протони високої енергії стикаються з фотонами. Нейтрино не мають електричного заряду, тому все одно вказуйте на напрямок свого джерела.
Національний науковий фонд наразі будує IceCube (http://icecube.wisc.edu/), детектор кубічних кілометрів, розташований у льоду під Південним полюсом, для пошуку викидів нейтрино від вибухів гамма-променів. Однак характеристики природних прискорювачів частинок з найвищою енергією залишаються тривалою таємницею, хоча прискорення вибухаючих зірок, які роблять вибухи гамма-променів, виступає на користь ще з тих пір, як Маріо В'єтрі (Universita di Roma) та Елі Ваксман (Інститут Вейцмана) запропонували це в 1995 році.
Команда вважає, що в той час як для цього спостереження можливі інші пояснення, результат відповідає прискоренню UHECR при сплеску гамма-променів. Під час вибуху GRB941017 вони побачили як низькоенергетичні, так і високоенергетичні гамма-промені. Гамма-промені низьких енергій - це те, чого вчені очікують від відхилення швидкодіючих електронів інтенсивними магнітними полями, тоді як високоенергетичні промені - це те, що очікується, якщо частина УГЕКР, що утворюється під час вибуху, врізається в інші фотони, створюючи зливи частинок , деякі з яких спалахують для отримання високоенергетичних гамма-променів, коли вони розпадаються.
Терміни випромінювання гамма-випромінювання також значні. Гамма-промені низької енергії згасали відносно швидко, тоді як високоенергетичні гамма-промені затримувалися. Це має сенс, якщо за різні гамма-промені відповідають два різних класу частинок - електрони та протони UHECR. «Електронам набагато простіше, ніж протонам, випромінювати свою енергію. Отже, випромінювання низько енергетичних гамма-променів від електронів було б коротшим, ніж високоенергетичних гамма-променів від протонів », - сказав Дінгус.
Обсерваторія гамма-променів Compton була другою з великих обсерваторій NASA і гамма-променем еквівалент космічному телескопу Хаббла та рентгенівській обсерваторії Чандра. Комптон був запущений на борт космічного шатла "Атлантида" у квітні 1991 року, і на 17 тонн був найбільшим астрофізичним корисним навантаженням, що коли-небудь пролітав у той час. Наприкінці своєї піонерської місії Комптон був дебортирован і знову потрапив в атмосферу Землі 4 червня 2000 року.
Оригінальне джерело: NASA News Release
