Πιστωτική εικόνα: NASA
Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, οι ισχυρότερες εκρήξεις στο Σύμπαν, μπορεί να δημιουργούν κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας, τα πιο ενεργητικά σωματίδια στο Σύμπαν. Τα στοιχεία που συγκεντρώθηκαν από το Παρατηρητήριο Compton Gamma-Ray της NASA έδειξαν ότι σε μια περίπτωση έκρηξης ακτίνων γάμμα, αυτά τα σωματίδια υψηλής ενέργειας κυριάρχησαν στην περιοχή δίνοντας μια σύνδεση μεταξύ τους, αλλά αυτό δεν είναι αρκετά αποδεικτικό στοιχείο για να πούμε ότι είναι εντελώς συνδεδεμένα .
Οι πιο ισχυρές εκρήξεις στο σύμπαν, οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, μπορεί να δημιουργήσουν τα πιο ενεργητικά σωματίδια στο σύμπαν, γνωστά ως κοσμικές ακτίνες υπερυψηλής ενέργειας (UHECR), σύμφωνα με μια νέα ανάλυση παρατηρήσεων από το Παρατηρητήριο Compton Gamma-Ray της NASA.
Οι ερευνητές αναφέρουν στην έκδοση Nature της 14ης Αυγούστου ενός νέου ταυτοποιημένου μοτίβου υπό το φως αυτών των αινιγματικών εκρήξεων που θα μπορούσαν να εξηγηθούν από τα πρωτόνια που κινούνται μέσα στο εύρος της φωτεινής ταχύτητας των μαλλιών.
Αυτά τα πρωτόνια, όπως το θραύσμα από έκρηξη, θα μπορούσαν να είναι UHECR. Τέτοιες κοσμικές ακτίνες είναι σπάνιες και αποτελούν ένα διαρκές μυστήριο στην αστροφυσική, φαινομενικά αψηφώντας τη φυσική εξήγηση, γιατί είναι πολύ πολύ ενεργητικά για να έχουν δημιουργηθεί από γνωστούς μηχανισμούς όπως οι εκρήξεις σουπερνόβα.
«Οι κοσμικές ακτίνες« ξεχνούν »από πού προέρχονται γιατί, σε αντίθεση με το φως, κτυπηθούν στο διάστημα από μαγνητικά πεδία», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας Μαρία Μαγδαλένα Γκονζάλες του Εθνικού Εργαστηρίου Los Alamos στο Νέο Μεξικό και μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν. "Αυτό το αποτέλεσμα είναι μια συναρπαστική ευκαιρία να δούμε πιθανώς στοιχεία που παράγονται στην πηγή τους."
Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα - ένα μυστήριο που οι επιστήμονες αρχίζουν να ξεδιπλώνονται - μπορούν να λάμψουν τόσο λαμπρά όσο ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια ήλιοι, και πολλοί μπορεί να προέρχονται από έναν ασυνήθιστα ισχυρό τύπο εκρηκτικού αστεριού. Οι εκρήξεις είναι συχνές αλλά τυχαίες και φευγαλέες, διαρκούν μόνο δευτερόλεπτα.
Οι κοσμικές ακτίνες είναι ατομικά σωματίδια (για παράδειγμα, ηλεκτρόνια, πρωτόνια ή νετρίνα) που κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Οι κοσμικές ακτίνες χαμηλότερης ενέργειας βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη, ωθούμενες από ηλιακές εκλάμψεις και τυπικές εκρήξεις αστεριών. Τα UHECR, με κάθε ατομικό σωματίδιο που μεταφέρει την ενέργεια ενός μπέιζμπολ που ρίχνεται στα Major Leagues, είναι εκατό εκατομμύρια φορές πιο ενεργητικά από τα σωματίδια που παράγονται στους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων.
Οι επιστήμονες λένε ότι τα UHECR πρέπει να δημιουργούνται σχετικά κοντά στη Γη, γιατί κάθε σωματίδιο που ταξιδεύει μακρύτερα από 100 εκατομμύρια έτη φωτός θα χάσει μέρος της ενέργειας του μέχρι τη στιγμή που θα φτάσει. Ωστόσο, καμία τοπική πηγή συνηθισμένων κοσμικών ακτίνων δεν φαίνεται αρκετά ισχυρή για να δημιουργήσει ένα UHECR.
Το χαρτί με επικεφαλής το Gonzalez δεν επικεντρώνεται ειδικά στην παραγωγή UHECR, αλλά σε ένα νέο μοτίβο φωτός που παρατηρείται σε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Ερχόμενοι βαθιά στα αρχεία του Παρατηρητηρίου Compton (η αποστολή έληξε το 2000), η ομάδα διαπίστωσε ότι μια έκρηξη ακτίνων γάμμα από το 1994, με την ονομασία GRB941017, φαίνεται διαφορετική από τις άλλες 2.700-μερικές εκρήξεις που καταγράφηκαν από αυτό το διαστημικό σκάφος. Αυτή η έκρηξη βρισκόταν στην κατεύθυνση του αστερισμού Sagitta, του Βέλους, πιθανώς δέκα δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν ακτίνες γάμμα είναι φωτόνια (ελαφριά σωματίδια) που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα ενεργειών, στην πραγματικότητα, πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από τις ενέργειες που τα μάτια μας καταγράφουν ως τα χρώματα σε ένα ουράνιο τόξο. Η ομάδα του Gonzalez εξέτασε τα φωτόνια ακτίνων γάμμα υψηλότερης ενέργειας. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι αυτοί οι τύποι φωτονίων κυριάρχησαν στην έκρηξη: Ήταν τουλάχιστον τρεις φορές πιο ισχυροί κατά μέσο όρο από το συστατικό χαμηλότερης ενέργειας, ωστόσο, εκπληκτικά, χιλιάδες φορές πιο ισχυρό μετά από περίπου 100 δευτερόλεπτα.
Δηλαδή, ενώ η ροή των φωτονίων χαμηλότερης ενέργειας που χτυπούν τους ανιχνευτές του δορυφόρου άρχισε να μειώνεται, η ροή των φωτονίων υψηλότερης ενέργειας παρέμεινε σταθερή. Το εύρημα είναι ασυμβίβαστο με το δημοφιλές "μοντέλο σοκronron shock" που περιγράφει τις περισσότερες εκρήξεις. Τι θα μπορούσε λοιπόν να εξηγήσει αυτόν τον εμπλουτισμό φωτονίων υψηλότερης ενέργειας;
«Μία εξήγηση είναι ότι οι κοσμικές ακτίνες υψηλής ενέργειας είναι υπεύθυνες, αλλά ακριβώς πώς δημιουργούν τις ακτίνες γάμμα με τα ενεργειακά μοτίβα που είδαμε χρειάζεται πολύ υπολογισμό», δήλωσε η Δρ Brenda Dingus του LANL, συν-συγγραφέας στο χαρτί. «Θα κρατήσουμε κάποιους θεωρητικούς απασχολημένους προσπαθώντας να το καταλάβουμε».
Η καθυστερημένη έγχυση ηλεκτρονίων υπερ-υψηλής ενέργειας παρέχει έναν άλλο τρόπο για να εξηγήσει την απροσδόκητα μεγάλη ροή ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας που παρατηρείται στο GRB 941017. Αλλά αυτή η εξήγηση θα απαιτούσε αναθεώρηση του τυπικού μοντέλου έκρηξης, δήλωσε ο συν-συγγραφέας Dr. Charles Dermer, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Εργαστήριο Ναυτικών Ερευνών των ΗΠΑ στην Ουάσινγκτον. "Σε κάθε περίπτωση, αυτό το αποτέλεσμα αποκαλύπτει μια νέα διαδικασία που συμβαίνει σε εκρήξεις ακτίνων γάμμα", είπε.
Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα δεν έχουν εντοπιστεί που προέρχονται εντός 100 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη, αλλά μέσω των αιώνων αυτοί οι τύποι εκρήξεων μπορεί να έχουν συμβεί τοπικά. Εάν ναι, είπε η Ντίγκους, ο μηχανισμός που είδε η ομάδα της στο GRB 941017 θα μπορούσε να αναπαραχθεί κοντά στο σπίτι, αρκετά κοντά για να τροφοδοτήσει τα UHECR που βλέπουμε σήμερα.
Άλλες εκρήξεις στο αρχείο του Παρατηρητηρίου Compton ενδέχεται να έχουν δείξει παρόμοιο μοτίβο, αλλά τα δεδομένα δεν είναι πειστικά. Το διαστημικό τηλεσκόπιο μεγάλης περιοχής ακτίνων γάμμα της NASA (GLAST), που έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει το 2006, θα έχει ανιχνευτές αρκετά ισχυρούς για να επιλύσει τα φωτόνια ακτίνων γάμμα υψηλότερης ενέργειας και να λύσει αυτό το μυστήριο.
Οι συν-συγγραφείς της έκθεσης Nature περιλαμβάνουν επίσης Ph.D. μεταπτυχιακός φοιτητής Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece και Dr. Michael Briggs από το Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Huntsville. Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από τη NASA και το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών.
Τα UHECR παρατηρούνται όταν συντρίβουν στην ατμόσφαιρά μας, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η ενέργεια από τη σύγκρουση παράγει ένα ντους αέρα από δισεκατομμύρια υποατομικά σωματίδια και λάμψεις υπεριώδους φωτός, τα οποία ανιχνεύονται από ειδικά όργανα.
Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και διεθνείς συνεργάτες έχουν χρηματοδοτήσει επί τόπου μέσα, όπως το High Resolution Fly's Eye στη Γιούτα (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) και το Παρατηρητήριο Auger στην Αργεντινή (http: / /www.auger.org/). Επιπλέον, η NASA συνεργάζεται με την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος για να τοποθετήσει το Παρατηρητήριο Διαστήματος Extreme Universe (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Η προτεινόμενη αποστολή OWL θα κοιτάζει, από τροχιά, προς τα κάτω προς τα αεροπορικά ντους, βλέποντας μια περιοχή τόσο μεγάλη όσο το Τέξας.
Αυτοί οι επιστήμονες καταγράφουν τις λάμψεις και παίρνουν μια απογραφή του υποατομικού θραύσματος, δουλεύοντας πίσω για να υπολογίσουν πόση ενέργεια χρειάζεται ένα μόνο σωματίδιο για να κάνει τον ατμοσφαιρικό καταρράκτη. Φτάνουν σε μια συγκλονιστική τιμή 10 ^ 20 ηλεκτρονίων βολτ (eV) ή περισσότερο. (Για σύγκριση, η ενέργεια σε ένα σωματίδιο κίτρινου φωτός είναι 2 eV και τα ηλεκτρόνια στον τηλεοπτικό σωλήνα σας βρίσκονται στο εύρος ενέργειας των χιλίων ηλεκτρονίων volt.)
Αυτά τα σωματίδια εξαιρετικά υψηλής ενέργειας βιώνουν τα παράξενα φαινόμενα που προβλέπονται από τη θεωρία ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αν μπορούσαμε να τους παρατηρήσουμε να προέρχονται από μια απομακρυσμένη γωνία του κόσμου, ας πούμε εκατό εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, θα πρέπει να είμαστε υπομονετικοί - θα χρειαστούν εκατό εκατομμύρια χρόνια για να ολοκληρωθεί το ταξίδι. Ωστόσο, εάν μπορούσαμε να ταξιδέψουμε με τα σωματίδια, το ταξίδι τελείωσε σε λιγότερο από μια ημέρα λόγω της διαστολής του χρόνου των ταχέως κινούμενων αντικειμένων όπως μετρήθηκε από έναν παρατηρητή.
Οι κοσμικές ακτίνες υψηλότερης ενέργειας δεν μπορούν καν να φτάσουν σε εμάς αν παράγονται από μακρινές πηγές, επειδή συγκρούονται και χάνουν ενέργεια με τα κοσμικά φωτονικά μικροκυμάτων που έχουν απομείνει από τη μεγάλη έκρηξη. Οι πηγές αυτών των κοσμικών ακτίνων πρέπει να βρεθούν σχετικά κοντά μας, σε απόσταση αρκετών εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός. Αστέρια που εκρήγνυνται ως εκρήξεις ακτίνων γάμμα βρίσκονται σε αυτήν την απόσταση, οπότε γίνονται εντατικές προσπάθειες παρατήρησης για την εύρεση υπολειμμάτων έκρηξης ακτίνων γάμμα που διακρίνονται από φωτοστέφανα ακτινοβολίας από τις κοσμικές ακτίνες.
Λίγα είδη ουράνιων αντικειμένων διαθέτουν τις ακραίες συνθήκες που απαιτούνται για την έκρηξη σωματιδίων σε ταχύτητες UHECR. Εάν οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα παράγουν UHECR, πιθανώς το κάνουν επιταχύνοντας σωματίδια σε πίδακες ύλης που εκτοξεύονται από την έκρηξη κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα έχουν τη δύναμη να επιταχύνουν UHECR, αλλά οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα που έχουν παρατηρηθεί μέχρι στιγμής ήταν απομακρυσμένες, δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν μπορούν να συμβούν σε κοντινή απόσταση, σε απόσταση αποκοπής UHECR.
Ένας κορυφαίος υποψήφιος για μακροχρόνια είδη εκρήξεων ακτίνων γάμμα όπως το GRB941017 είναι το μοντέλο supernova / collapsar. Τα σουπερνόβα συμβαίνουν όταν ένα αστέρι πολλές φορές πιο ογκώδες από τον Ήλιο εξαντλεί τα καύσιμα του, προκαλώντας τον πυρήνα του να καταρρεύσει κάτω από τη δική του βαρύτητα, ενώ τα εξωτερικά του στρώματα εκρήγνυνται σε μια τεράστια θερμοπυρηνική έκρηξη. Τα collapsars είναι ένας ειδικός τύπος σουπερνόβα όπου ο πυρήνας είναι τόσο ογκώδης που καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα, ένα αντικείμενο τόσο πυκνό που τίποτα, ούτε καν φως, δεν μπορεί να ξεφύγει από τη βαρύτητά του μέσα στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Ωστόσο, οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι οι μαύρες τρύπες είναι ατημέλητες, εκτοξεύουν υλικό που περνά κοντά, αλλά δεν διασχίζει, τους ορίζοντές τους.
Σε ένα collapsar, ο πυρήνας του αστεριού σχηματίζει έναν δίσκο υλικού γύρω από τη νέα διαμορφωμένη μαύρη τρύπα, όπως το νερό που περιστρέφεται γύρω από μια αποχέτευση. Η μαύρη τρύπα καταναλώνει το μεγαλύτερο μέρος του δίσκου, αλλά κάποια ύλη εκτοξεύεται σε πίδακες από τους πόλους της μαύρης τρύπας. Τα αεριωθούμενα αεροπλάνα σχίζουν στο αστέρι που καταρρέει κοντά στην ταχύτητα του φωτός και στη συνέχεια διατρηθούν μέσα από αέριο που περιβάλλει το καταδικασμένο αστέρι. Καθώς τα αεροσκάφη συντρίβουν στο διαστρικό μέσο, δημιουργούν σοκ κύματα και επιβραδύνουν. Τα εσωτερικά σοκ σχηματίζονται επίσης στα αεροπλάνα καθώς τα μπροστινά άκρα τους είναι αργά και χτυπιούνται από πίσω από ένα ρεύμα ύλης υψηλής ταχύτητας. Τα σοκ επιταχύνουν σωματίδια που δημιουργούν ακτίνες γάμμα. θα μπορούσαν επίσης να επιταχύνουν τα σωματίδια σε ταχύτητες UHECR, σύμφωνα με την ομάδα.
«Είναι σαν να αναπηδάς μια μπάλα πινγκ πονγκ ανάμεσα σε ένα κουπί και ένα τραπέζι», είπε ο Ντίνγκους. «Καθώς μετακινείτε το κουπί πιο κοντά στο τραπέζι, η μπάλα αναπηδά πιο γρήγορα και πιο γρήγορα. Σε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα, το κουπί και το τραπέζι είναι κελύφη που εκτοξεύονται στο τζετ. Τα ταραχώδη μαγνητικά πεδία αναγκάζουν τα σωματίδια να κινούνται μεταξύ των κελυφών, επιταχύνοντάς τα σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός προτού απελευθερωθούν ως UHECR. "
Η ανίχνευση νετρίνων από εκρήξεις ακτίνων γάμμα θα ενίσχυε την περίπτωση επιτάχυνσης των κοσμικών ακτίνων από εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Τα νετρίνα είναι αόριστα σωματίδια που δημιουργούνται όταν τα πρωτόνια υψηλής ενέργειας συγκρούονται με φωτόνια. Τα νετρίνα δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, οπότε εξακολουθείτε να επιστρέφετε στην κατεύθυνση της πηγής τους.
Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών κατασκευάζει επί του παρόντος IceCube (http://icecube.wisc.edu/), έναν ανιχνευτή κυβικού χιλιομέτρου που βρίσκεται στον πάγο κάτω από τον Νότιο Πόλο, για να αναζητήσει εκπομπές νετρίνων από εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά των επιταχυντών σωματιδίων με την υψηλότερη ενέργεια της φύσης παραμένουν μόνιμο μυστήριο, αν και η επιτάχυνση από τα εκρηκτικά αστέρια που κάνουν εκρήξεις ακτίνων γάμμα ήταν ευνοϊκή από τότε που το πρότειναν οι Mario Vietri (Universita di Roma) και Eli Waxman (Ινστιτούτο Weizmann) το 1995.
Η ομάδα πιστεύει ότι ενώ είναι δυνατές και άλλες εξηγήσεις για αυτήν την παρατήρηση, το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με την επιτάχυνση του UHECR στις εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Είδαν τόσο ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας όσο και υψηλής ενέργειας στην έκρηξη GRB941017. Οι ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας είναι αυτό που οι επιστήμονες περιμένουν από τα ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας που εκτρέπονται από έντονα μαγνητικά πεδία, ενώ οι ακτίνες υψηλής ενέργειας είναι αυτό που αναμένεται εάν μερικά από τα UHECR που παράγονται στην έκρηξη συντρίβουν σε άλλα φωτόνια, δημιουργώντας ένα ντους σωματιδίων , μερικά από τα οποία αναβοσβήνουν για να παράγουν ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας όταν αποσυντίθενται.
Ο χρονισμός της εκπομπής ακτίνων γάμμα είναι επίσης σημαντικός. Οι ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας εξασθενίζουν σχετικά γρήγορα, ενώ οι ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας παραμένουν. Αυτό έχει νόημα εάν δύο διαφορετικές κατηγορίες σωματιδίων - ηλεκτρόνια και πρωτόνια των UHECR - είναι υπεύθυνα για τις διαφορετικές ακτίνες γάμμα. «Είναι πολύ πιο εύκολο για τα ηλεκτρόνια από τα πρωτόνια να εκπέμπουν την ενέργειά τους. Επομένως, η εκπομπή γάμμα ακτίνων χαμηλής ενέργειας από ηλεκτρόνια θα ήταν μικρότερη από τις ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας από τα πρωτόνια », δήλωσε ο Dingus.
Το Compton Gamma Ray Observatory ήταν το δεύτερο από τα Μεγάλα Παρατηρητήρια της NASA και η ακτίνα γάμμα ισοδύναμη με το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble και το Παρατηρητήριο Ακτίνων Χ Chandra. Το Compton κυκλοφόρησε στο Space Shuttle Atlantis τον Απρίλιο του 1991, και με 17 τόνους, ήταν το μεγαλύτερο αστροφυσικό ωφέλιμο φορτίο που είχε πετάξει εκείνη την εποχή. Στο τέλος της πρωτοποριακής αποστολής του, ο Compton απορροφήθηκε και επανήλθε στην ατμόσφαιρα της Γης στις 4 Ιουνίου 2000.
Αρχική πηγή: Δελτίο Τύπου της NASA
