Низкочастотное радио-небо во время попадания космического луча. Изображение предоставлено: MPIFR. Нажмите, чтобы увеличить.
Используя эксперимент LOPES, прототип нового высокотехнологичного радиотелескопа LOFAR для обнаружения частиц космических лучей сверхвысоких энергий, группа астрофизиков в сотрудничестве с Max-Planck-Gesellschaft и Helmholtz-Gemeinschaft, зарегистрировала самые яркие и быстрые радио взрывы когда-либо видели на небе. Взрывы, обнаружение которых описано в выпуске журнала Nature на этой неделе, представляют собой драматические вспышки радио-света, которые кажутся в 1000 раз ярче солнца и почти в миллион раз быстрее обычной молнии. В течение очень короткого момента эти вспышки, которые до сих пор оставались в значительной степени незамеченными, становятся самым ярким светом на небе диаметром в два раза больше луны.
Эксперимент показал, что радиовспышки возникают в атмосфере Земли, вызванные воздействием наиболее энергичных частиц, производимых в космосе. Эти частицы называются космическими лучами сверхвысоких энергий, и их происхождение является постоянной загадкой. Астрофизики теперь надеются, что их находка прольет новый свет на тайну этих частиц.
Ученые использовали массив радиоантенн и большой массив детекторов частиц в эксперименте KASCADE-Grande на Forschungszentrum Karlsruhe. Они показали, что всякий раз, когда очень энергичная космическая частица попадает в атмосферу Земли, регистрируется соответствующий радиоимпульс с направления входящей частицы. Используя методы визуализации из радиоастрономии, группа даже создала цифровые последовательности фильмов об этих событиях, получая самые быстрые фильмы, когда-либо созданные в радиоастрономии. Детекторы частиц предоставили им основную информацию о поступающих космических лучах.
Исследователи смогли показать, что сила излучаемого радиосигнала является прямым измерением энергии космических лучей. «Удивительно, что с помощью простых FM-антенн мы можем измерять энергию частиц, поступающих из космоса», - говорит профессор Хейно Фальке из Нидерландского фонда исследований в области астрономии (ASTRON), который является представителем сотрудничества LOPES. «Если бы у нас были чувствительные радио глаза, мы бы увидели небо, сверкающее радио-вспышками», - добавляет он.
Ученые использовали пары антенн, аналогичные тем, которые используются в обычных FM-радиоприемниках. «Основным отличием от обычных радиостанций является цифровая электроника и широкополосные приемники, которые позволяют нам слушать много частот одновременно», - объясняет Дипл. Phys. Андреас Хорнеффер, аспирант Университета Бонна и Международной исследовательской школы Макса Планка (IMPRS), который установил антенны в рамках своего проекта PhD.
В принципе, некоторые из обнаруженных радиовспышек на самом деле достаточно сильны, чтобы на короткое время отключить прием обычного радио или ТВ. Чтобы продемонстрировать этот эффект, группа преобразовала радиоприем космических лучей в звуковую дорожку (см. Ниже). Однако, поскольку вспышки длятся всего 20-30 наносекунд, а яркие сигналы случаются только один раз в день, их вряд ли можно узнать в повседневной жизни.
Эксперимент также показал, что радиоизлучение варьировалось по силе относительно ориентации магнитного поля Земли. Этот и другие результаты подтвердили основные прогнозы, сделанные ранее в теоретических расчетах профессором Фальке и его бывшим аспирантом Тимом Хьюге, а также в расчетах профессора Питера Горхама из Гавайского университета.
Частицы космических лучей постоянно бомбардируют Землю, вызывая небольшие взрывы элементарных частиц, которые образуют пучок материи и частиц антивещества, несущихся через атмосферу. Самые легкие заряженные частицы, электроны и позитроны в этом пучке будут отклоняться геомагнитным полем Земли, которое заставляет их излучать радиоизлучение. Этот тип излучения хорошо известен из ускорителей частиц на Земле и называется синхротронным излучением. По аналогии астрофизики сейчас говорят о «геосинхротронном» излучении из-за взаимодействия с магнитным полем Земли.
Радио-вспышки были обнаружены антеннами LOPES, установленными в эксперименте KASCADE-Grande с космическим лучом и воздушным душем в Forschungszentrum Karlsruhe, Германия. KASCADE-Grande - ведущий эксперимент по измерению космических лучей. «Это демонстрирует силу проведения крупного эксперимента по физике астрочастиц непосредственно в нашем районе - это дало нам возможность также исследовать необычные идеи, как эта», - говорит д-р Андреас Хаунгс, представитель KASCADE-Grande.
Радиотелескоп LOPES (Экспериментальная Станция Прототипа LOFAR) использует опытные антенны самого большого радиотелескопа в мире, LOFAR, который будет построен после 2006 года в Нидерландах и некоторых частях Германии. LOFAR имеет радикально новый дизайн, объединяющий множество дешевых низкочастотных антенн, которые собирают радиосигналы со всего неба сразу. Подключенный к высокоскоростному Интернету суперкомпьютер может обнаруживать необычные сигналы и получать изображения интересных областей на небе без перемещения каких-либо механических частей. «LOPES достигли первых крупных научных результатов проекта LOFAR уже на этапе разработки. Это дает нам уверенность в том, что LOFAR действительно будет таким революционным, как мы надеялись ». объясняет профессор Харви Батчер, директор Нидерландского фонда исследований в области астрономии (ASTRON) в Двингелоу, Нидерланды, где в настоящее время разрабатывается LOFAR.
«Это действительно необычная комбинация, когда физики-ядерщики и радиоастрономы работают вместе, чтобы создать уникальный и весьма оригинальный эксперимент по физике астрочастиц», - заявляет д-р Антон Зенсус, директор Max-Planck-Institut f? R Radioastronomie (MPIfR) в Бонн. «Это открывает путь для новых механизмов обнаружения в физике элементарных частиц, а также демонстрирует захватывающие возможности телескопов следующего поколения, таких как LOFAR и, позже, квадратного километража (SKA). Неожиданно крупные международные эксперименты в разных областях исследований объединяются »
В качестве следующего шага астрофизики хотят использовать грядущий массив LOFAR в Нидерландах и Германии для радиоастрономии и исследования космических лучей. Проводятся испытания для интеграции радиоантенны в обсерваторию Пьера Оже для космических лучей в Аргентине и, возможно, позднее во второй обсерватории Оже в северном полушарии. «Это может стать серьезным прорывом в технологии обнаружения. Мы надеемся использовать эту новую технику для обнаружения и понимания природы космических лучей с наивысшей энергией, а также для обнаружения нейтрино сверхвысоких энергий из космоса », - говорит профессор Йоханнес Блемер, директор программы по физике астропартийных частиц Ассоциации Гельмгольца и в Forschungszentrum Карлсруэ.
Обнаружение было частично подтверждено французской группой с помощью большого радиотелескопа Парижской обсерватории в Нанее. Исторически, работа по радиоизлучению от космических лучей была впервые сделана в конце 1960-х годов с первыми претензиями на обнаружение. Однако никакая полезная информация не могла быть извлечена с технологией этих дней, и работа быстро прекратилась. Основными недостатками были отсутствие возможностей визуализации (в настоящее время реализуемых программным обеспечением), низкое временное разрешение и отсутствие хорошо откалиброванной матрицы детекторов частиц. Все это было преодолено с помощью эксперимента LOPES.
Первоначальный источник: пресс-релиз MPI
