Promienie kosmiczne.
Tak nazywają się naładowane cząstki, które przenikają naszą Galaktykę. Poruszają się niesamowicie szybko – szybciej niż jakiekolwiek urządzenie stworzone przez ludzkość na Ziemi. Wielki Zderzacz Hadronów robi wrażenie. Ale te cząstki śmieją się z niego.
Są to głównie protony. Oczywiście są też elektrony. Ale przeważająca większość to protony.
Od dziesięcioleci astronomowie wiedzą, że gdzieś musi istnieć źródło. Akcelerator kosmiczny. „PeVatron” Problem był dowodem. Nie można po prostu spojrzeć w niebo i powiedzieć: „Tak, to są protony”. Bez dodatkowych danych nie jest to możliwe, aby się nie pomylić.
Z zadaniem poradził sobie międzynarodowy zespół pod przewodnictwem Uniwersytetu w Hiroszimie. Potwierdzili, że obiekt LHAASO J1911+1014u to rzeczywiście proton PeVatron. To nie jest założenie. To niemożliwe”. To najbardziej energetyczne źródło protonów, jakie udało nam się dotychczas dokładnie zlokalizować w Drodze Mlecznej.
Dlaczego problem protonów ma znaczenie
Tutaj pojawia się przeszkoda techniczna: promienie gamma.
Promienie gamma są promieniowaniem wysokoenergetycznym. Występują, gdy promienie kosmiczne zderzają się z czymś. Zwykle jest to gaz międzygwiazdowy. Czasami pola magnetyczne. Problem polega jednak na tym, że zarówno protony, jak i oraz elektrony wytwarzają promieniowanie gamma.
Jeśli zobaczysz rozbłysk promieni gamma, skąd wiesz, która cząstka go spowodowała?
Elektrony są trudne. Potrafią naśladować sygnatury protonów. To od dawna sprawia, że potwierdzenie istnienia „protonu PeVatron” jest prawie niemożliwe. PeVatron przyspiesza protony do energii przekraczającej jeden petaelektronowolt (biliard eV). To kolosalna kwota. To limit energii dla standardowych akceleratorów cząstek w naszej Galaktyce.
„Poszukiwanie akceleratora kosmicznych protonów o energiach powyżej petaelektronowolt… to jeden z najbardziej ekscytujących tematów współczesnej astrofizyki” – zauważył Tsunefumi Mizuno. Jest głównym autorem badania i adiunktem w Centrum Nauk Astrofizycznych na Uniwersytecie w Hiroszimie.
Mieliśmy kandydatów. Dziesiątki obiektów. Ale nie było żadnych dowodów. LHAASO J1911+1014u świeciła energiami powyżej 0,1 PeV. Jednak bez wyraźnego rozróżnienia pomiędzy źródłami protonów i elektronów pozostał raczej podejrzanym niż skazanym przestępcą.
Trzy strzały, jeden cel
Mizuno zacytował stare japońskie przysłowie: „Jedna strzała łatwo się łamie. Trzy powiązane razem – nie.”
Zastosował tę logikę. Zamiast polegać na jednym narzędziu, zespół połączył trzy różne zestawy danych. Musieli wyeliminować elektrony i wyizolować protony.
- Promienie gamma z kosmosu: Wielki Teleskop Szerokiego Obszaru Fermi (NASA) zmierzył promieniowanie gamma w zakresie 1 GeV. To miliard elektronowoltów.
- Fale radiowe z Ziemi: W ramach japońskiego badania FOREST przy użyciu 45-metrowego teleskopu Nobeyama wykonano mapę gazu międzygwiazdowego.
- Promienie rentgenowskie z kosmosu: Obserwatorium Chandra (NASA) monitorowało słabą emisję promieniowania rentgenowskiego.
Wyniki? Elektrony zostały wykluczone. Zdecydowany i ostateczny.
Dowody: gaz, promienie gamma i cisza
Jak zrozumieli, że to nie są elektrony?
Wskazówka 1: Zasięg energii.
Promieniowanie gamma nie ustało. Rozciągał się w sposób ciągły od ponad 100 bilionów eV do 400 milionów eV. Zgodnie z prawami fizyki akcelerator elektronów nie ma wystarczającej mocy, aby utrzymać taki kształt widma. Protony mają.
Dowód 2: Mapa gazowa.
Fermi odkrył promienie gamma. Badanie FUGIN ujawniło gęste obłoki gazu międzygwiazdowego. Karty idealnie do siebie pasowały. Wysokoenergetyczne protony zderzają się z gazem. Gaz „uderza” w gaz. Promienie gamma eksplodują. Gdyby były to elektrony, mapa wyglądałaby inaczej. Elektrony nie oddziałują z gazem, tworząc w ten sposób promienie gamma. Oddziałują ze światłem i polami magnetycznymi. Zależność ta była niezaprzeczalna.
Dowód 3: Brak hałasu.
To bardziej subtelny punkt. Gdyby istniała tam populacja wysokoenergetycznych elektronów, Obserwatorium Chandra zarejestrowałoby silne rozproszone promieniowanie rentgenowskie. Elektrony wirują w polach magnetycznych i emitują silne promieniowanie rentgenowskie. Chandra nie widziała… prawie nic. Bardzo słabe promieniowanie. Cisza tam, gdzie powinien być hałas.
„Trzy dowody wskazują, że jest to proton PeVatron” – powiedział Mizuno.
Elektrony zostały wykluczone. Korelacja z protonami potwierdzona gazem. Cisza z Chandrą położyła temu kres.
LHAASO J1911+1014u: Gdzie i co to jest
Obiekt znajduje się w gwiazdozbiorze Orła, obok Altaira. To jasna gwiazda zamykająca Trójkąt Letni. Wszyscy znamy ten trójkąt w lipcowe noce.
Początkowo astronomowie myśleli, że to pozostałość po supernowej. Tylko martwa gwiazda zrzucająca muszle. Ale potem odkryto emisję powyżej 100 TeV (biliardów elektronowoltów). To zmieniło obraz.
To nie tylko pozostałość. To działający akcelerator.
Badanie, opublikowane w The Astrophysical Journal, wykorzystuje to, co zespół nazywa „kompleksowymi symulacjami wielopasmowymi”. Jest to złożony termin, co oznacza, że badano obiekt w zakresie fal radiowych, rentgenowskich i gamma, co zmusiło dane do połączenia się w jeden obraz. Pojawiło się tylko jedno wyjaśnienie: przyspieszenie protonów.
Poza jednym źródłem
To nie koniec.
Droga Mleczna jest pełna takich obiektów. LHAASO odnotowało już dziesiątki innych potencjalnych PeVatronów protonowych. Teraz mamy szablon. Potwierdzony przykład. Linia bazowa.
„Planujemy teraz systematyczne badanie tych kandydatów” – zauważył Mizuno.
Przechodzimy od zgadywania do weryfikacji. Następnym krokiem jest sprawdzenie, które z pozostałych świetlistych skupisk w naszej Galaktyce rzeczywiście przyspieszają protony do biliardowych części prędkości.
Do tego czasu wiemy jedno na pewno. Przestrzeń przyspiesza protony szybciej, niż kiedykolwiek sobie wyobrażaliśmy. I teraz wreszcie możemy to udowodnić.
„Badania przeprowadzono dzięki wysiłkom zespołu” – powiedział Mizuno. „Jedna strzała łatwo się łamie…”
Trzy strzałki. Powiązany. Potwierdzony.
