Kosmisk stråle med høy energi- Ultra-high-energy cosmic ray

I Astro fysikk , en ultra-høy-energi kosmisk stråling ( UHECR ) er en kosmisk stråling med en energi som er større enn en EEV (10 18 elektronvolt , omtrent 0,16 joule ), langt utover både resten massen og energien som er typisk for andre kosmisk stråling partikler .

En kosmisk stråle med ekstrem energi ( EECR ) er en UHECR med overskridende energi5 × 10 19  eV (ca. 8  joule ), den såkalte Greisen – Zatsepin – Kuzmin-grensen (GZK-grensen). Denne grensen bør være maksimal energi for kosmiske stråleprotoner som har reist lange avstander (ca. 160 millioner lysår), siden protoner med høyere energi ville ha mistet energi over denne avstanden på grunn av spredning fra fotoner i den kosmiske mikrobølgeovnen (CMB). Det følger at EECR ikke kunne være overlevende fra det tidlige universet , men er kosmologisk "unge", utsendt et sted i den lokale superklyngen av en ukjent fysisk prosess. Hvis en EECR ikke er et proton, men en kjerne med A -nukleoner, gjelder GZK -grensen for dens nukleoner, som bare bærer en brøkdel1/ENav kjernens totale energi. For en jernkjerne vil den tilsvarende grensen være2,8 × 10 21  eV . Imidlertid fører kjernefysiske prosesser til grenser for jernkjerner som ligner på protoner. Andre store kjerner bør ha enda lavere grenser.

Disse partiklene er ekstremt sjeldne; mellom 2004 og 2007 oppdaget de første kjøringene til Pierre Auger Observatory (PAO) 27 hendelser med estimert ankomstenergi over5,7 × 10 19  eV , det vil si omtrent en slik hendelse hver fjerde uke i 3000 km 2 -området som ble undersøkt av observatoriet.

Det er bevis på at disse kosmiske strålene med høyest energi kan være jernkjerner , snarere enn protonene som utgjør de fleste kosmiske strålene.

De postulerte (hypotetisk) kilder EECR er kjent som Zevatrons , nevnt i analogi til Lawrence Berkeley National Laboratory 's Bevatron og Fermilab ' s Tevatronen , og derfor i stand til å akselerere partiklene til en ZEV (10 21  eV, Zetta-elektronvolt). I 2004 var det en vurdering av muligheten for at galaktiske stråler fungerer som Zevatrons, på grunn av diffus akselerasjon av partikler forårsaket av sjokkbølger inne i strålene. Spesielt antydet modeller at sjokkbølger fra den nærliggende M87 galaktiske strålen kunne akselerere en jernkjerne til ZeV -områder. I 2007 observerte Pierre Auger -observatoriet en korrelasjon av EECR med ekstragalaktiske supermassive sorte hull i sentrum av nærliggende galakser kalt aktive galaktiske kjerner (AGN) . Imidlertid ble styrken til korrelasjonen svakere med fortsatte observasjoner. Ekstremt høye energier kan også forklares med sentrifugalakseleringsmekanismen i magnetosfærene i AGN , selv om nyere resultater indikerer at færre enn 40% av disse kosmiske strålene syntes å komme fra AGN, en mye svakere korrelasjon enn tidligere rapportert. Et mer spekulativt forslag fra Grib og Pavlov (2007, 2008) ser for seg forfall av super tung mørk materie  ved hjelp av Penrose -prosessen .

Observasjonshistorie

Se også: Kosmisk stråleobservatorium
Hovedartikkel: Oh-My-God particle

Den første observasjonen av en kosmisk strålepartikkel med en energi som overstiger 1,0 × 10 20  eV (16 J) ble laget av Dr John D Linsley og Livio Scarsi ved Volcano Ranch -eksperimentet i New Mexico i 1962.

Kosmiske strålepartikler med enda høyere energier har siden blitt observert. Blant dem var Oh-My-God-partikkelen observert av University of Utahs Fly's Eye-eksperiment på kvelden 15. oktober 1991 over Dugway Proving Ground , Utah. Observasjonen var et sjokk for astrofysikere , som estimerte energien til å være omtrentlig3,2 × 10 20  eV (50 J) - med andre ord, en atomkjerne med kinetisk energi lik en baseball (5 gram eller 142 gram) som kjører i omtrent 100 kilometer i timen (60 mph).

Energien til denne partikkelen er omtrent 40 millioner ganger energien til de høyeste energiprotonene som har blitt produsert i en hvilken som helst terrestrisk partikkelakselerator . Imidlertid vil bare en liten brøkdel av denne energien være tilgjengelig for en interaksjon med et proton eller nøytron på jorden, med det meste av energien igjen i form av kinetisk energi til interaksjonens produkter (se Collider#Forklaring ). Den effektive energien som er tilgjengelig for en slik kollisjon er kvadratroten til det dobbelte av produktet av partikkelens energi og massenergien til protonet, som for denne partikkelen gir7,5 × 10 14  eV , omtrent 50 ganger kollisjonsenergien til Large Hadron Collider .

Siden den første observasjonen, ved University of Utah 's Fly Eye Cosmic Ray Detector , har minst femten lignende hendelser er registrert, bekrefter fenomenet. Disse kosmiske strålepartiklene med svært høy energi er svært sjeldne; energien til de fleste kosmiske strålepartikler er mellom 10 MeV og 10 GeV.

Kosmiske stråleobservatorier med ultrahøy energi

Se også: Kategori: Partikkelteleskoper med høy energi og kosmisk stråleobservatorium

Pierre Auger observatorium

Hovedartikkel: Pierre Auger Observatory

Pierre Auger Observatory er et internasjonalt kosmisk stråleobservatorium designet for å oppdage kosmiske stråpartikler med høy energi (med energier utover 10 20  eV). Disse høyenergipartiklene har en estimert ankomsthastighet på bare 1 per kvadratkilometer per århundre, derfor har Auger Observatory skapt et deteksjonsområde på 3000 km 2 (størrelsen på Rhode Island for å registrere et stort antall av disse hendelsene) ) i Mendoza -provinsen , vestlige Argentina . Pierre Auger-observatoriet har, i tillegg til å innhente retningsinformasjon fra klyngen av vanntanker som brukes til å observere kosmisk stråledusjkomponenter, også fire teleskoper som er trent på nattehimmelen for å observere fluorescens av nitrogenmolekylene når dusjpartiklene krysser himmelen, og gir ytterligere retningsinformasjon om den opprinnelige kosmiske strålepartikkelen.

I september 2017 støttet data fra 12 års observasjoner fra PAO en ekstragalaktisk kilde (utenfor jordens galakse) for opprinnelsen til ekstremt høyenergi kosmiske stråler.

Foreslåtte forklaringer

Nøytronstjerner

En foreslått kilde til UHECR -partikler er deres opprinnelse fra nøytronstjerner . Hos unge nøytronstjerner med spinn perioder på <10 ms, magneto (MHD) krefter fra den kvasi-nøytral væske med superledning protoner og elektroner som eksisterer i et nøytron superflytende akselerere jernkjerner til UHECR hastigheter. Magnetfeltet som produseres av nøytron -superfluidet i raskt roterende stjerner skaper et magnetfelt på 10 8 til 10 11 teslas, på hvilket tidspunkt nøytronstjernen er klassifisert som en magnetar . Dette magnetfeltet er det sterkeste stabile feltet i det observerte universet og skaper den relativistiske MHD -vinden som antas å akselerere jernkjerner som er igjen fra supernovaen til nødvendig energi.

En annen antatt kilde til UHECR fra nøytronstjerner er under nøytronstjerne til merkelig stjerneforbrenning . Denne hypotesen er basert på antagelsen om at merkelig materie er materiens grunntilstand som ikke har eksperimentelle eller observasjonsdata som støtter det. På grunn av det enorme gravitasjonstrykket fra nøytronstjernen, antas det at små materier bestående av opp , ned og merkelige kvarker i likevekt som fungerer som en enkelt hadron (i motsetning til en rekke
Σ0
baryoner ). Dette vil deretter forbrenne hele stjernen til merkelig materie, på hvilket tidspunkt blir nøytronstjernen en merkelig stjerne og dets magnetfelt brytes ned, noe som oppstår fordi protonene og nøytronene i den kvasi-nøytrale væsken har blitt strangelets . Denne sammenbruddet av magnetfelt frigjør elektromagnetiske bølger med stor amplitude (LAEMWs). LAEMWs akselererer lysionrester fra supernovaen til UHECR -energien.

"Ultra-høy-energi kosmisk stråling elektroner " (definert som elektroner med energier av ≥10 14 eV ) kan forklares ved den sentrifugale akselerasjon av mekanismen i den magneto av krabbe lignende Pulsars . Muligheten for elektronakselerasjon til denne energiskalaen i Crab pulsar magnetosfæren støttes av 2019-observasjonen av ultrahøyenergigammastråler som kommer fra Krabbetåken , en ung pulsar med en spinneperiode på 33 ms.

Aktive galaktiske kjerner

Interaksjoner med blåskiftet kosmisk mikrobølge bakgrunnsstråling begrenser avstanden som disse partiklene kan reise før de mister energi; dette er kjent som Greisen - Zatsepin - Kuzmin -grensen eller GZK -grensen.

Kilden til slike høyenergipartikler har vært et mysterium i mange år. Nylige resultater fra Pierre Auger-observatoriet viser at ankomst-retninger for kosmiske stråler med ultrahøy energi ser ut til å være korrelert med ekstragalaktiske supermassive sorte hull i sentrum av nærliggende galakser, kalt aktive galaktiske kjerner (AGN) . Siden den anvendte vinkelkorrelasjonsskalaen er ganske stor (3,1 °), identifiserer disse resultatene imidlertid ikke entydig opprinnelsen til slike kosmiske strålepartikler. AGN kan bare være nært knyttet til de faktiske kildene, for eksempel i galakser eller andre astrofysiske objekter som er klumpet med materie på store skalaer innen 100 megaparsek .

Noen av de supermassive sorte hullene i AGN er kjent for å rotere, som i Seyfert-galaksen MCG 6-30-15 med tidsvariabilitet i sine indre akkresjonsskiver. Svarthullspinn er et potensielt effektivt middel for å drive UHECR -produksjon, forutsatt at ioner blir skikkelig lansert for å omgå begrensende faktorer dypt inne i den galaktiske kjernen, særlig krumningsstråling og uelastisk spredning med stråling fra den indre skiven. Lavlysstyrke, intermitterende Seyfert-galakser kan oppfylle kravene ved dannelse av en lineær akselerator flere lysår unna kjernen, men likevel innenfor deres forlengede ion tori hvis UV-stråling sikrer tilførsel av ioniske forurensninger. De tilsvarende elektriske feltene er små, i størrelsesorden 10 V/cm, hvorved de observerte UHECR -ene er veiledende for kildens astronomiske størrelse. Forbedret statistikk fra Pierre Auger -observatoriet vil være avgjørende for å identifisere den foreløpige foreløpige assosiasjonen mellom UHECR (fra det lokale universet) med Seyferts og LINER .

Andre mulige kilder til partiklene

Andre mulige kilder til UHECR er:

Forhold til mørk materie

Hovedartikkel: Mørk materie

Det antas at aktive galaktiske kjerner er i stand til å konvertere mørkt materiale til protoner med høy energi. Yuri Pavlov og Andrey Grib ved Alexander Friedmann Laboratory for Theoretical Physics i St. Petersburg antar at partikler i mørkt materiale er omtrent 15 ganger tyngre enn protoner, og at de kan forfalle til par av tyngre virtuelle partikler av en type som interagerer med vanlig materie. Nær en aktiv galaktisk kjerne kan en av disse partiklene falle ned i det sorte hullet, mens den andre rømmer, som beskrevet av Penrose -prosessen . Noen av disse partiklene vil kollidere med innkommende partikler; Dette er veldig høye energikollisjoner som ifølge Pavlov kan danne vanlige synlige protoner med veldig høy energi. Pavlov hevder deretter at bevis på slike prosesser er kosmiske stråpartikler med høy energi.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker