Изображение предоставлено NASA
Астрономы считают, что гамма-всплески, самые мощные взрывы во Вселенной, могут генерировать космические лучи сверхвысоких энергий, самые энергичные частицы во Вселенной. Данные, собранные де-орбитальной Комптоновской гамма-обсерваторией НАСА, показали, что в одном случае вспышки гамма-излучения эти высокоэнергетические частицы преобладали в области, дающей связь между ними, но вряд ли этого достаточно, чтобы сказать, что они окончательно связаны ,
В соответствии с новым анализом наблюдений Комптоновской гамма-обсерватории НАСА, самые мощные взрывы во вселенной, гамма-всплески, могут генерировать самые энергичные частицы во вселенной, известные как космические лучи сверхвысоких энергий (UHECR).
Исследователи сообщают в издании «Nature» от 14 августа о новом выявленном паттерне в свете этих загадочных вспышек, который можно объяснить протонами, движущимися в пределах ширины света.
Эти протоны, как осколки от взрыва, могут быть UHECR. Такие космические лучи редки и представляют непреходящую загадку в астрофизике, казалось бы, не поддаются физическому объяснению, поскольку они просто слишком энергичны, чтобы генерироваться известными механизмами, такими как взрывы сверхновых.
«Космические лучи« забывают »о том, откуда они берутся, потому что, в отличие от света, они излучаются в космосе магнитными полями», - говорит ведущий автор Мария Магдалена Гонсалес из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико и аспирант Университета Висконсина. «Этот результат - прекрасная возможность увидеть доказательства того, что они были получены у их источника».
Гамма-всплески - загадка, которую ученые наконец-то начинают разгадывать - могут сиять так же ярко, как миллион триллионов солнц, и многие из них могут быть от необычайно мощного типа взрывающейся звезды. Взрывы являются обычными, но случайными и мимолетными, длятся всего несколько секунд.
Космические лучи - это атомные частицы (например, электроны, протоны или нейтрино), движущиеся вблизи скорости света. Космические лучи с более низкой энергией постоянно бомбардируют Землю, приводимые в движение солнечными вспышками и типичными взрывами звезд. UHECR с каждой атомной частицей, несущей энергию бейсбола, брошенного в высшую лигу, в сто миллионов раз более энергичны, чем частицы, произведенные в крупнейших созданных человеком ускорителях частиц.
Ученые говорят, что UHECR должны генерироваться относительно близко к Земле, поскольку любая частица, путешествующая дальше 100 миллионов световых лет, потеряет часть своей энергии к тому времени, когда она достигнет нас. И все же ни один локальный источник обычных космических лучей не кажется достаточно мощным, чтобы генерировать UHECR.
В статье под руководством Гонсалеса основное внимание уделяется не производству UHECR, а новому свету, наблюдаемому при гамма-всплеске. Глубоко изучив архивы Комптонской обсерватории (миссия завершилась в 2000 году), группа обнаружила, что гамма-всплеск 1994 года, названный GRB941017, отличается от других 2700 вспышек, зарегистрированных этим космическим кораблем. Этот взрыв был расположен в направлении созвездия Стрела, Стрелы, вероятно, на расстоянии в десять миллиардов световых лет.
То, что ученые называют гамма-лучами, - это фотоны (частицы света), охватывающие широкий диапазон энергий, фактически, в миллион раз шире, чем энергии, которые наши глаза регистрируют как цвета радуги. Группа Гонсалеса посмотрела на фотоны гамма-излучения с более высокой энергией. Ученые обнаружили, что эти типы фотонов доминировали над вспышкой: они были в среднем по крайней мере в три раза более мощными, чем компоненты с более низкой энергией, и, что удивительно, в тысячи раз более мощными примерно через 100 секунд.
То есть, пока поток фотонов с более низкой энергией, попадающих на детекторы спутника, начал ослабевать, поток фотонов с более высокой энергией оставался устойчивым. Этот вывод не согласуется с популярной «моделью синхротронного шока», описывающей большинство всплесков. Так что же может объяснить это обогащение фотонами более высоких энергий?
«Одно из объяснений состоит в том, что за это ответственны космические лучи сверхвысоких энергий, но именно то, как они создают гамма-лучи с помощью энергетических моделей, которые мы видели, требует большого расчета», - говорит доктор Бренда Дингус из соавтора статьи из LANL. «Мы будем заняты некоторыми теоретиками, пытаясь выяснить это».
Задержанная инжекция электронов сверхвысоких энергий обеспечивает еще один способ объяснить неожиданно большой поток высокоэнергетических гамма-лучей, наблюдаемый в GRB 941017. Но это объяснение потребует пересмотра стандартной модели всплеска, сказал соавтор доктор Чарльз Дермер, теоретический астрофизик в Военно-морской лаборатории США в Вашингтоне. «В любом случае, этот результат показывает новый процесс, происходящий при гамма-всплесках», - сказал он.
Гамма-всплески не были обнаружены в радиусе 100 миллионов световых лет от Земли, но через века эти типы взрывов могли происходить локально. Если это так, сказала Дингус, механизм, который увидела ее группа в GRB 941017, мог бы быть продублирован близко к дому, достаточно близко, чтобы обеспечить UHECR, которые мы видим сегодня.
Другие всплески в архиве Комптонской обсерватории, возможно, демонстрировали аналогичную картину, но данные не являются окончательными. Гамма-космический телескоп НАСА (GLAST), запланированный к запуску в 2006 году, будет иметь достаточно мощные детекторы, чтобы разрешать гамма-лучи с более высокой энергией и разгадывать эту загадку.
Соавторы доклада о природе также включают доктора философии. аспирант Юки Канеко, доктор Роберт Прис и доктор Майкл Бриггс из Университета Алабамы в Хантсвилле. Это исследование финансировалось НАСА и Управлением военно-морских исследований.
UHECR наблюдаются, когда они врезаются в нашу атмосферу, как показано на рисунке. Энергия от столкновения производит воздушный поток из миллиардов субатомных частиц и вспышек ультрафиолетового света, которые обнаруживаются специальными приборами.
Национальный научный фонд и международные партнеры спонсируют инструменты на местах, такие как Fly's Eye высокого разрешения в штате Юта (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) и обсерватория Оже в Аргентине (http: / /www.auger.org/). Кроме того, НАСА работает с Европейским космическим агентством по размещению Космической обсерватории Экстремальной Вселенной (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) на Международной космической станции. Предлагаемая миссия OWL с орбиты будет смотреть вниз на воздушные ливни, рассматривая регион размером с Техас.
Эти ученые записывают вспышки и проводят перепись субатомного осколка, работая в обратном направлении, чтобы рассчитать, сколько энергии требуется одной частице для создания атмосферного каскада. Они достигают шокирующей цифры 10-20 электрон-вольт (эВ) или более. (Для сравнения, энергия в частице желтого света составляет 2 эВ, а электроны в вашей телевизионной трубке находятся в диапазоне энергий в тысячи электрон-вольт.)
Эти частицы сверхвысоких энергий испытывают странные эффекты, предсказанные теорией специальной теории относительности Эйнштейна. Если бы мы могли наблюдать, как они прибывают из отдаленного уголка космоса, скажем, в ста миллионах световых лет от нас, нам нужно быть терпеливыми - это займет сто миллионов лет, чтобы завершить путешествие. Однако, если бы мы могли путешествовать с частицами, поездка закончилась менее чем за один день из-за увеличения времени быстро движущихся объектов, измеренных наблюдателем.
Космические лучи с наивысшей энергией не могут даже достичь нас, если они получены от удаленных источников, потому что они сталкиваются и теряют энергию с космическими микроволновыми фотонами, оставшимися от Большого взрыва. Источники этих космических лучей должны быть найдены относительно близко к нам, на расстоянии нескольких сотен миллионов световых лет. Звезды, которые взрываются как гамма-всплески, находятся на этом расстоянии, поэтому предпринимаются интенсивные усилия по наблюдению, чтобы найти остатки гамма-всплесков, отличающиеся ореолами излучения космических лучей.
Немногие виды небесных объектов обладают экстремальными условиями, необходимыми для взрыва частиц до скоростей UHECR. Если гамма-всплески производят UHECR, они, вероятно, делают это путем ускорения частиц в струях вещества, выбрасываемых при взрыве со скоростью, близкой к скорости света. Гамма-всплески способны ускорять UHECR, но наблюдаемые до сих пор гамма-всплески были отдаленными, на расстоянии миллиардов световых лет. Это не означает, что они не могут произойти поблизости, в пределах предельного расстояния UHECR.
Ведущим претендентом на долгоживущие виды гамма-всплесков, такие как GRB941017, является модель сверхновая / коллапсар. Сверхновые случаются, когда звезда, во много раз более массивная, чем Солнце, истощает свое топливо, заставляя ее ядро разрушаться под действием собственной силы тяжести, в то время как ее внешние слои сдуваются в результате огромного термоядерного взрыва. Коллапсары - это особый тип сверхновой, когда ядро настолько массивно, что разрушается в черную дыру, объект настолько плотный, что ничто, даже свет, не может избежать гравитации в пределах горизонта событий черной дыры. Однако наблюдения показывают, что черные дыры являются небрежными пожирателями, выбрасывающими материал, который проходит вблизи, но не пересекает их горизонты событий.
В коллапсаре ядро звезды образует материальный диск вокруг вновь образовавшейся черной дыры, подобно воде, циркулирующей вокруг стока. Черная дыра поглощает большую часть диска, но некоторая материя взорвана струями с полюсов черной дыры. Струи разрывают коллапсирующую звезду со скоростью, близкой к скорости света, а затем пробивают газ, окружающий обреченную звезду. Когда струи врезаются в межзвездную среду, они создают ударные волны и замедляют движение. Внутренние удары также формируются в струях, поскольку их передние кромки замедляются и ударяются сзади потоком высокоскоростной материи. Удары ускоряют частицы, которые генерируют гамма-лучи; По словам команды, они также могут ускорять частицы до скоростей UHECR.
«Это как подпрыгивать мяч для пинг-понга между веслом и столом», - сказал Дингус. «Когда вы приближаете весло к столу, мяч отскакивает все быстрее и быстрее. При гамма-всплеске весло и стол - это снаряды, выбрасываемые в струю. Турбулентные магнитные поля заставляют частицы рикошетить между оболочками, ускоряя их почти до скорости света, прежде чем они высвободятся как UHECR ».
Обнаружение нейтрино от гамма-всплесков послужило бы основанием для ускорения космических лучей гамма-всплесками. Нейтрино - это неуловимые частицы, образующиеся, когда протоны высоких энергий сталкиваются с фотонами. Нейтрино не имеют электрического заряда, поэтому все еще указывают на направление их источника.
Национальный научный фонд в настоящее время строит IceCube (http://icecube.wisc.edu/), детектор кубического километра, расположенный во льду под Южным полюсом, для поиска нейтринного излучения от гамма-всплесков. Тем не менее, характеристики ускорителей частиц с самой высокой энергией в природе остаются непреходящей загадкой, хотя ускорение взрывающимися звездами, которые производят гамма-всплески, было благоприятным с тех пор, как Марио Виетри (Universita di Roma) и Эли Ваксман (Институт Вейцмана) предложили его в 1995 году.
Команда считает, что, хотя для этого наблюдения возможны и другие объяснения, результат согласуется с ускорением UHECR при гамма-всплесках. Они увидели как низкоэнергетические, так и высокоэнергетические гамма-лучи во взрыве GRB941017. Низкоэнергетические гамма-лучи - это то, что ученые ожидают от высокоскоростных электронов, отклоняемых интенсивными магнитными полями, в то время как высокоэнергетические лучи - это то, что ожидается, если некоторые из UHECR, полученных в результате взрыва, врезаются в другие фотоны, создавая поток частиц некоторые из которых вспыхивают, чтобы произвести высокоэнергетические гамма-лучи, когда они распадаются.
Время гамма-излучения также является значительным. Низкоэнергетические гамма-лучи относительно быстро исчезают, в то время как высокоэнергетические гамма-лучи задерживаются. Это имеет смысл, если два разных класса частиц - электроны и протоны UHECR - отвечают за разные гамма-лучи. «Электронам гораздо легче, чем протонам, излучать свою энергию. Поэтому испускание низкоэнергетического гамма-излучения электронами будет короче, чем испускание высокоэнергетического гамма-излучения протонами », - сказал Дингус.
Комптоновская гамма-обсерватория была второй из Великих обсерваторий НАСА и по гамма-излучению эквивалентна космическому телескопу Хаббла и рентгеновской обсерватории Чандра. Комптон был запущен на борту космического корабля "Атлантис" в апреле 1991 года, и его грузоподъемность 17 тонн была самой большой астрофизической нагрузкой, когда-либо летавшей в то время. В конце своей новаторской миссии Комптон был выведен из строя и вновь вошел в атмосферу Земли 4 июня 2000 года.
Первоисточник: пресс-релиз НАСА
