Низькочастотне радіо небо у момент попадання космічного променя. Кредит зображення: MPIFR. Натисніть, щоб збільшити
Використовуючи експеримент LOPES, прототип нового високотехнологічного радіотелескопа LOFAR для виявлення надвисоких енергійних частинок космічного проміння, група астрофізиків у співпраці Max-Planck-Gesellschaft та Helmholtz-Gemeinschaft зафіксувала найяскравіший і швидкий радіовибухи, коли-небудь бачені на небі. Вибухи, про виявлення яких повідомляється у тижневому випуску журналу Nature, - це драматичні спалахи радіовипромінювання, які здаються більш ніж у 1000 разів яскравішими за сонце та майже в мільйон разів швидшими, ніж звичайні блискавки. На дуже коротку мить ці спалахи, які поки що залишилися непоміченими, - стають найяскравішим світлом на небі з діаметром вдвічі більшим за місяць.
Експеримент показав, що радіо спалахи виробляються в атмосфері Землі, викликані впливом найбільш енергетичних частинок, що утворюються в космосі. Ці частинки називаються надвисокими енергетичними космічними променями, і їх походження є головною головоломкою. Зараз астрофізики сподіваються, що їх знахідка пролиє нове світло на таємницю цих частинок.
Вчені використали масив радіоантен та великий масив детекторів частинок експерименту KASCADE-Grande у Forschungszentrum Karlsruhe. Вони показали, що кожного разу, коли в атмосферу Землі потрапляє дуже енергетична космічна частинка, відповідний радіоімпульс реєструється з напрямку вхідної частинки. Використовуючи методи візуалізації з радіоастрономії, група навіть створила цифрові послідовності фільмів цих подій, даючи найшвидші фільми, коли-небудь створені в радіоастрономії. Детектори частинок надали їм основну інформацію про надходять космічні промені.
Дослідники змогли показати, що сила випромінюваного радіосигналу була прямим вимірюванням енергії космічних променів. "Дивовижно, що за допомогою простих FM-антен ми можемо виміряти енергію частинок, що надходять з космосу", - говорить проф. Хейно Фальк з Нідерландського фонду досліджень з астрономії (ASTRON), який є речником співпраці LOPES. "Якби у нас були чутливі радіо очі, ми б бачили, як небо виблискує радіо спалахами", - додає він.
Вчені використали пари антен, схожих на звичайні FM-радіоприймачі. "Основна відмінність від звичайних радіоприймачів полягає в цифровій електроніці та широкосмугових приймачах, які дозволяють нам слухати багато частот одночасно", - пояснює Діпл. Фіз. Андреас Хорнеффер, аспірант Університету Бонна та Міжнародної дослідницької школи Макса-Планка (IMPRS), який встановив антени в рамках свого докторського проекту.
В принципі, деякі виявлені радіо спалахи насправді є досить сильними, щоб на короткий час знищити звичайний радіо- або телевізійний прийом. Щоб продемонструвати цей ефект, група перетворила свій радіоприйом космічних променів у звуковий трек (див. Нижче). Однак, оскільки спалахи тривають лише 20-30 наносекунд, а яскраві сигнали трапляються лише один раз на день, їх було б важко впізнати у повсякденному житті.
Експеримент також показав, що радіовипромінювання змінювалося за силою відносно орієнтації магнітного поля Землі. Цей та інші результати підтвердили основні прогнози, які були зроблені в теоретичних розрахунках раніше професором Фальке та його колишнім докторантом Тімом Хьюге, а також підрахунками професора Пітера Горгама з Гавайського університету.
Частинки космічних променів постійно бомбардують землю, викликаючи невеликі вибухи елементарних частинок, які утворюють промінь речовини та частинки анти-речовини, що пробігають атмосферу. Найлегші заряджені частинки, електрони та позитрони в цьому промені будуть відхилятися геомагнітним полем Землі, яке змушує їх випромінювати радіовипромінювання. Цей тип випромінювання добре відомий з прискорювачів частинок на Землі і називається синхротронним випромінюванням. За аналогією зараз астрофізики говорять про "геосинхротронне" випромінювання завдяки взаємодії з магнітним полем Землі.
Радіо спалахи були виявлені за допомогою антен LOPES, встановлених під час повітряного душового експерименту KASCADE-Grande в Forschungszentrum Karlsruhe, Німеччина. KASCADE-Grande - це провідний експеримент для вимірювання космічних променів. "Це свідчить про силу проведення головного експерименту з фізики астрочастинок безпосередньо в нашому районі - це дало нам можливість також вивчити незвичні ідеї, як ця", - каже доктор Андреас Хаунгс, прес-секретар KASCADE-Grande.
Радіотелескоп LOPES (дослідна станція прототипу LOFAR) використовує прототипи-антени найбільшого радіотелескопа світу - LOFAR, який буде побудований після 2006 року в Нідерландах та частинах Німеччини. LOFAR має радикальний новий дизайн, який поєднує в собі безліч дешевих низькочастотних антен, які збирають радіосигнали з усього неба відразу. Підключений високошвидкісним Інтернетом суперкомп'ютер має можливість виявляти незвичайні сигнали та робити зображення цікавих регіонів на небі, не рухаючи жодних механічних частин. «LOPES досяг перших великих наукових результатів проекту LOFAR вже на стадії розробки. Це дає нам впевненість, що LOFAR дійсно буде настільки ж революційним, як ми сподівались, що це буде ». пояснює проф. Харві Батчер, директор Нідерландського фонду досліджень з астрономії (ASTRON) у Двінгелоо, Нідерланди, де в даний час розробляється LOFAR.
"Це дійсно незвичайне поєднання, коли ядерні фізики та радіоастрономи працюють разом, щоб створити унікальний і надзвичайно оригінальний експеримент з фізики астрочастинок", - констатує доктор Антон Зенсус, директор Мате-Планк-Інституту радіоастрономії (MPIfR) в Бонн. "Це відкриває шлях до нових механізмів виявлення у фізиці частинок, а також демонструє захоплюючі можливості телескопів наступного покоління, таких як LOFAR та пізніше масив квадратних кілометрів (SKA). Раптом великі міжнародні експерименти в різних дослідницьких областях збираються разом "
В якості наступного кроку астрофізики хочуть використовувати майбутній масив LOFAR в Нідерландах та Німеччині для радіоастрономії та досліджень космічних променів. Зараз проводяться випробування на інтеграцію радіоантени в обсерваторію П'єра Шнера для космічних променів в Аргентині і, можливо, пізніше у другу обсерваторію Шнека в Північній півкулі. «Це може бути серйозним проривом у технології виявлення. Ми сподіваємось використати цю нову техніку для виявлення та розуміння природи космічних променів найвищої енергії, а також для виявлення ультрависоких енергійних нейтрино з космосу », - каже професор Йоханнес Бламір, програмний директор з фізики астрочастинок Асоціації Гельмгольц та у Forschungszentrum Karlsruhe.
Виявлення було частково підтверджено французькою групою за допомогою великого радіотелескопа Паризької обсерваторії в Нансі. Історично робота над радіовипромінюванням від космічних променів була вперше виконана наприкінці 1960-х років з першими претензіями на виявлення. Однак жодної корисної інформації не вдалося витягнути за допомогою технології в наші дні, і робота припинилася швидко. Основними недоліками були відсутність можливостей візуалізації (зараз реалізована програмним забезпеченням), низька роздільна здатність та відсутність добре каліброваного масиву детекторів частинок. Все це було подолано експериментом LOPES.
Оригінальне джерело: MPI News Release
