Гамма-всплески от далеких звезд, как показано на иллюстрации этого художника, являются одним из возможных источников сверхмощных "частиц OMG", которые иногда попадают на детекторы ученых на Земле.
(Изображение: © NASA / SkyWorks Digital)
Пол Саттер - астрофизик в Университете штата Огайо и главный научный сотрудник научного центра COSI. Саттер также является ведущим «Спроси космонавта» и «Космическое радио» и возглавляет AstroTours по всему миру. Саттер опубликовал эту статью для «Экспертных голосов» Space.com: Op-Ed & Insights.
Прямо сейчас, когда вы читаете этот самый текст, ваша ДНК рассекается крошечными невидимыми пулями. Торговцы ущербом известны как космические лучи, даже если они абсолютно не лучи, а название, выбранное из исторического недоразумения. Вместо этого они частицы: электроны и протоны, в основном, но иногда более тяжелые вещи, такие как гелий или даже железные ядра.
Эти космические частицы представляют собой проблему, потому что а) они быстрые, и поэтому имеют много кинетической энергии, чтобы бросать их, и б) они электрически заряжены. Это означает, что они могут ионизировать наши бедные нуклеотиды ДНК, разрывая их на части и иногда приводя к неконтролируемым ошибкам репликации (иначе, рак). [Эта звезда «Суперзвезда» действует как гигантское оружие космического луча, но почему?]
Как будто это не было достаточно плохо, время от времени, примерно один раз на квадратный километр в год, частица проникает в нашу верхнюю атмосферу с поистине чудовищной скоростью, ударяясь о несчастную молекулу азота или кислорода и выпадая в поток вторичные частицы с более низкой энергией (но все же смертельно опасные).
Существует только один подходящий ответ, когда сталкивается с частицей такого нелепого потенциала: «OMG».
Fastballs
«OMG» - это прозвище, данное первому примеру того, что сейчас известно как космические лучи сверхвысоких энергий, обнаруженные в 1991 году детектором космических лучей Глаз мухи Университета штата Юта. Этот единственный протон врезался в нашу атмосферу со скоростью 99.99999999999999999999951 процентов скорости света. И нет, все эти девятки не просто для драматического эффекта, чтобы цифра выглядела впечатляюще - это действительно было так быстро. Эта частица имела такое же количество кинетической энергии, как прилично брошенный бейсбольный мяч… сжатый в объект размером с протон.
Это означает, что эта частица имела в 10 миллионов раз больше энергии, чем может произвести наш самый мощный коллайдер частиц, LHC. Из-за релятивистского замедления времени на этой скорости частица ОМГ могла путешествовать к нашей ближайшей соседней звезде Проксима Центавра за 0,43 миллисекунды собственного времени частицы. Он может перейти к нашему галактическому ядру к тому времени, когда вы закончите читать это предложение (с его собственной точки зрения).
Боже, действительно.
После обнаружения этой частицы мы продолжали наблюдать за этими экстремальными событиями в небе, используя специализированные телескопы и детекторы по всему миру. В общей сложности за последние несколько десятилетий мы зарегистрировали около сотни частиц класса OMG.
Эти несколько десятков примеров раскрывают и углубляют тайны их происхождения. Больше данных всегда хорошо, но какого черта в нашей вселенной достаточно, чтобы дать протону достаточно хорошую трещину, чтобы он мог почти - почти - бросить вызов самому себе в гонке?
Knuckleballs
Чтобы ускорить заряженную частицу до безумных скоростей, вам нужны два ключевых компонента: много энергии и магнитное поле. Магнитное поле выполняет работу по передаче частице любой энергии в вашем событии (скажем, взрывной кинетической энергии взрыва сверхновой или закрученного гравитационного притяжения, когда вещество падает к черной дыре). Детальная физика, естественно, невероятно сложна и не очень понятна. Места рождения космических лучей ужасно сложны и расположены в крайних областях нашей вселенной, поэтому будет трудно получить полную физическую картину.
Но мы все еще можем сделать некоторые образованные предположения относительно того, откуда взялись такие крайние примеры, как наш друг, частица OMG. Наше первое предположение может быть сверхновыми, титаническими смертями массивных звезд. Магнитные поля? Проверьте. Много энергии? Проверьте. Но не достаточно энергии, чтобы сделать трюк. У вашей звездной детонации в саду нет достаточного количества сырого звука, чтобы выплюнуть частицы на скоростях, которые мы рассматриваем.
Что дальше? Активные галактические ядра являются сильными соперниками. Эти ядра созданы, когда материя вращается вокруг своей гибели вокруг сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики; этот материал сжимается и нагревается, образуя аккреционный диск в последние минуты. Этот извилистый ад создает мощные магнитные поля от динамо-действий, образуя мощную смесь ингредиентов, необходимых для добавления некоторой серьезной мощности к выбрасываемым частицам.
За исключением (и вы знали, что будет «кроме»), активные галактические ядра находятся слишком далеко, чтобы производить космические лучи, которые достигают Земли. На смехотворных скоростях космического луча сверхвысоких энергий путешествие по космосу больше похоже на попытку пахать сквозь метель. Это происходит потому, что на этих скоростях космический микроволновый фон - поток фотонов с низкой энергией, оставшихся от самой ранней вселенной - кажется сильно смещенным в сторону более высоких энергий. Таким образом, этот высокоинтенсивный свет ударяет и ударяется о бегущий космический луч, замедляя и в конечном итоге останавливая его.
Таким образом, мы не должны ожидать, что самые мощные космические лучи будут путешествовать дальше, чем на сто миллионов световых лет или около того - и большинство активных ядер галактик намного, намного дальше от нас, чем это.
Curveballs
В течение долгого времени основным подозреваемым для генерации OMG был Центавр А, относительно близкое активное ядро галактики, которое находится где-то на расстоянии от 10 миллионов до 16 миллионов световых лет. Мощный, магнитный и близкий - идеальный комбо. Но хотя некоторые обзоры намекают на то, что космические лучи могут исходить из его общего направления, никогда не было достаточно четкой корреляции, чтобы превратить эту галактику из подозреваемого в осуждение. [Глубокий взгляд на странную галактику Центавр А]
Частично проблема заключается в том, что собственное магнитное поле Млечного Пути тонко изменяет траекторию входящих космических лучей, маскируя их первоначальные направления. Итак, чтобы восстановить источник космического луча, вам также нужны модели для силы и направления магнитного поля нашей галактики - что-то, что мы не имеем точного управления.
Если генератор OMG сам по себе не является Центавром А, то, возможно, это галактики Сейферта, определенный галактический подкласс обычно более близких, как правило, более слабых (но все еще безумно ярких и сильных) активных ядер галактик. Но опять же, не имея даже сотен выборок, трудно сделать строгое статистическое определение.
Возможно, это гамма-всплески, которые, как считается, исходят из своеобразного катастрофического конца некоторым из самых экстремальных звезд. Но наше понимание физики этой ситуации (вы можете в это поверить?) Отчасти схематично.
Возможно, это что-то более экзотическое, например, топологические дефекты из самых ранних моментов Большого взрыва или некоторые забавные взаимодействия в темной материи. Возможно, мы неправильно понимаем физику, и наши расчеты по ограничению расстояния не точны. Может быть, может быть, может быть ...
Истинное происхождение этих сверхвысокочастотных частиц «OMG» сложно определить, и, несмотря на почти 30-летнюю историю обнаружения, у нас не так много твердых ответов. Что хорошо - хорошо, что во Вселенной осталось хотя бы несколько загадок. Астрофизики могли бы также использовать некоторую безопасность работы.
Узнайте больше, прослушав эпизод в подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо hchrissscottt за вопросы, которые привели к этой части! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя указаниям Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter. Следуйте за нами @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.
