Sinar kosmik.
Ini adalah nama partikel bermuatan yang meledak di galaksi kita. Mereka bergerak cepat. Lebih cepat dari apa pun yang dibangun manusia di Bumi. Large Hadron Collider sangat mengesankan. Partikel-partikel ini menertawakannya.
Kebanyakan, mereka adalah proton. Beberapa elektron, tentu saja. Tapi proton.
Selama beberapa dekade, para astronom mengetahui bahwa pasti ada sumbernya. Akselerator kosmik. Sebuah “PeVatron.” Masalahnya adalah membuktikannya. Anda tidak bisa hanya melihat ke langit dan berkata, “Ya, itu proton.” Bukan tanpa menjadi bingung.
Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh Universitas Hiroshima telah melakukannya. Mereka memastikan bahwa benda bernama LHAASO J1911+1014u memang merupakan proton PeVatron. Ini bukan dugaan. Ini bukan “mungkin”. Ini adalah sumber proton berenergi tertinggi yang pernah kami temukan sejauh ini di Bima Sakti.
Mengapa Masalah Proton Penting
Inilah rintangan teknisnya: sinar gamma.
Sinar gamma adalah cahaya berenergi tinggi. Mereka muncul ketika sinar kosmik menabrak benda-benda. Biasanya gas. Terkadang medan magnet. Masalahnya? Baik proton dan elektron menghasilkan sinar gamma.
Jika Anda melihat semburan sinar gamma, bagaimana Anda mengetahui partikel mana yang menyebabkannya?
Elektron itu licik. Mereka dapat meniru tanda tangan proton. Hal ini membuat konfirmasi “proton PeVatron” hampir mustahil untuk waktu yang lama. PeVatron mempercepat proton menjadi energi di atas satu peta-elektron volt (satu kuadriliun eV). Itu sangat besar. Ini adalah batas tertinggi energi untuk akselerator partikel standar galaksi kita.
“Menemukan akselerator proton sinar kosmik di atas tingkat PeVeV… adalah salah satu topik paling menarik dalam astrofisika modern,” kata Tsunefumi Mizuno. Mizuno adalah penulis utama dan profesor di Pusat Sains Astrofisika Hiroshima.
Kami punya kandidat. Lusinan dari mereka. Tapi tidak ada bukti. LHAASO J1991+1014a berada di sana, bersinar dengan energi lebih dari 0,1 PeV. Namun tanpa pembedaan yang jelas antara sumber proton dan elektron, ia tetap menjadi tersangka, bukan terpidana.
Tiga Anak Panah, Satu Sasaran
Mizuno mengutip pepatah Jepang kuno. “Satu anak panah mudah dipatahkan. Tiga anak panah disatukan, tidak terlalu banyak.”
Dia menerapkan logika itu. Daripada mengandalkan satu instrumen, tim ini menggabungkan tiga kumpulan data berbeda. Mereka perlu mengesampingkan elektron dan mengisolasi proton.
- Sinar gamma dari luar angkasa: Fermi Large Area Telescope milik NASA mengukur sinar gamma sekitar 1 GeV. Itu berarti satu miliar elektron volt.
- Gelombang radio dari tanah: Survei HUTAN Jepang menggunakan teleskop Nobeyama 45m memetakan gas antarbintang.
- Sinar-X dari luar angkasa: Observatorium Chandra milik NASA mengamati emisi sinar-X yang samar.
Hasilnya? Mereka mengesampingkan elektron. Kalkun dingin.
Senjata Merokok: Gas, Sinar Gamma, dan Keheningan
Bagaimana mereka tahu itu bukan elektron?
Petunjuk 1: Rentang energi.
Emisi sinar gamma tidak berhenti. Ini terus berlanjut dari lebih dari 100 triliun eV hingga 400 juta eV. Menurut ilmu fisika, akselerator elektron seharusnya tidak memiliki kekuatan untuk mempertahankan bentuk tersebut. Proton bisa.
Petunjuk 2: Peta gas.
Fermi melihat sinar gamma. FUGIN melihat awan tebal gas antarbintang. Petanya sangat cocok. Proton berenergi tinggi menabrak gas. Gas menabrak gas. Sinar gamma meledak. Jika itu adalah elektron, petanya akan terlihat berbeda. Elektron tidak berinteraksi dengan gas untuk menghasilkan sinar gamma dengan cara yang sama. Mereka berinteraksi dengan cahaya dan medan magnet. Korelasinya tidak dapat disangkal.
Petunjuk 3: Kurangnya kebisingan.
Ini yang halus. Jika Anda memiliki populasi elektron berenergi tinggi, Chandra akan melihat sinar-X difusi yang kuat. Elektron berputar di medan magnet dan menjerit dalam sinar-X. Chandra melihat… hampir tidak ada apa-apa. Emisi yang sangat lemah. Diam di tempat yang seharusnya ada kebisingan.
“Tiga bukti menunjuk pada proton PeVatron,” kata Mizuno.
Elektron dikesampingkan. Korelasi gas mengkonfirmasi proton. Keheningan dari Chandra menutupnya.
LHAASO J11+101u: Dimana dan Apa
Benda itu berada di Aquila. Dekat Altair. Itulah bintang terang yang melengkapi Segitiga Musim Panas. Kita semua tahu segitiga itu dari malam bulan Juli.
Para astronom awalnya mengira ini adalah sisa supernova. Hanya bintang mati yang mengeluarkan isi perutnya. Namun kemudian mereka mendeteksi emisi lebih dari 100 TeV (triliun elektron volt). Itu mengubah narasinya.
Itu bukan sekedar sisa. Ini adalah akselerator yang berfungsi.
Penelitian yang diterbitkan dalam The Astrophysical Journal ini menggunakan apa yang disebut tim sebagai “pemodelan multi-panjang gelombang yang komprehensif”. Ini adalah cara yang bagus untuk mengatakan bahwa mereka melihat sumbernya di radio, sinar-X, dan sinar gamma dan memaksa datanya masuk akal. Hanya satu penjelasan yang cocok: percepatan proton.
Melampaui Satu Sumber
Ini tidak berakhir di sini.
Bima Sakti penuh dengan hal-hal ini. Lusinan proton PeVatron potensial lainnya telah ditandai oleh LHAASO. Sekarang kami memiliki templat. Contoh yang dikonfirmasi. Sebuah garis dasar.
“Kami sekarang berencana untuk memeriksa calon-calon tersebut secara sistematis,” kata Mizuno.
Kami beralih dari menebak ke memverifikasi. Langkah selanjutnya adalah mencari tahu gumpalan bercahaya mana di galaksi kita yang sebenarnya mendorong proton hingga kecepatan kuadriliun elektron volt.
Sampai saat itu tiba, kita tahu satu hal yang pasti. Ruang angkasa mempercepat proton lebih cepat dari yang pernah kita bayangkan. Dan sekarang, akhirnya kita bisa membuktikannya.
“Penelitian ini dicapai melalui upaya tim,” kata Mizuno. “Satu anak panah mudah dipatahkan…”
Tiga anak panah. Dibundel. Dikonfirmasi.
