Telescope Array upptäcker den näst högsta energin som någonsin registrerats för kosmisk stråle – @theU

By | November 24, 2023

1991 upptäckte University of Utahs Fly’s Eye-experiment den kosmiska strålen med högsta energi som någonsin observerats. Senare kallad OMG-partikeln, överraskade energin från den kosmiska strålen astrofysiker. Ingenting i vår galax hade kraften att producera den, och partikeln hade mer energi än vad som var teoretiskt möjligt för kosmiska strålar som färdades till jorden från andra galaxer. Enkelt uttryckt borde partikeln inte existera.

Sedan dess har Telescope Array observerat mer än 30 ultrahögenergi kosmiska strålar, även om ingen kommer i närheten av OMG energinivåer. Inga observationer har ännu avslöjat deras ursprung eller hur de kan resa till jorden.

FOTO FÖRFATTARE: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

En konstnärs illustration av den extremt energiska kosmiska strålen som observerats av en uppsättning ytdetektorer från Telescope Array-experimentet, kallad “Amaterasu-partikeln”.

Ladda ner bilden i full upplösning

Den 27 maj 2021 upptäckte Telescope Array-experimentet den kosmiska strålen med näst högsta extremenergi. Vid 2,4 x 10tjugoeV, energin i denna enda subatomära partikel motsvarar att tappa en tegelsten på tån från midjehöjd. Leds av University of Utah (U) och University of Tokyo, består Telescope Array av 507 ytdetektorstationer arrangerade i ett rutnät som täcker 700 km.2 (~270 miles2) utanför Delta, Utah, i delstatens västra öken. Händelsen aktiverade 23 detektorer i den nordvästra regionen av Telescope Array, som täckte 48 km.2 (18,5 mil2). Deras ankomstriktning verkade vara från det lokala tomrummet, ett tomt område i rymden som gränsar till Vintergatan.

”Partiklarna har så mycket energi att de inte borde påverkas av galaktiska och extragalaktiska magnetfält. Du borde kunna peka ut var de kommer ifrån på himlen, säger John Matthews, medtalesman för Telescope Array vid universitetet och medförfattare till studien. “Men i fallet med Oh-My-God-partikeln och denna nya partikel, spårar du dess bana tillbaka till dess källa och det finns ingenting med tillräckligt med energi för att ha producerat den. Det är mysteriet med detta: vad fan är det som händer?

En enda ljusstråle följer en rak linje från rymden till jorden.  En mindre energisk stråle representeras av att anlända till jorden i en krullig, virvlande bana.

FOTO FÖRFATTARE: Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Konstnärlig illustration av kosmisk strålastronomi med ultrahög energi för att belysa extremt energiska fenomen.

Ladda ner bilden i full upplösning

I sin observation som publicerades den 23 november 2023 i tidskriften Science, beskriver det internationella samarbetet mellan forskarna Telescope Array den kosmiska strålen med ultrahög energi, utvärderar dess egenskaper och drar slutsatsen att dessa sällsynta fenomen kan följa partikelfysik som är okänd för vetenskapen. Forskarna döpte den till Amaterasu-partikeln efter solgudinnan i japansk mytologi. Oh-My-God- och Amaterasu-partiklarna upptäcktes med hjälp av olika observationstekniker, vilket bekräftar att, även om de är sällsynta, är dessa ultrahögenergihändelser verkliga.

“De här händelserna verkar komma från helt olika platser på himlen. Det är inte så att det finns en mystisk källa, säger John Belz, professor vid universitetet och medförfattare till studien. “De kan vara defekter i strukturen av rum-tid, kolliderande kosmiska strängar. Jag menar, jag spottar bara ut galna idéer som folk kommer på eftersom det inte finns någon konventionell förklaring.”

Naturliga partikelacceleratorer

Kosmiska strålar är ekon av våldsamma himmelska händelser som har tagit bort materia från dess subatomära strukturer och skickat den över universum med nästan ljusets hastighet. I huvudsak är kosmiska strålar laddade partiklar med ett brett spektrum av energier som består av positiva protoner, negativa elektroner eller hela atomkärnor som färdas genom rymden och faller på jorden nästan konstant.

Kosmiska strålar träffar jordens övre atmosfär och förstör kärnan av syre och kväve, vilket genererar många sekundära partiklar. Dessa färdas en kort sträcka i atmosfären och upprepar processen och genererar en regn av miljarder sekundära partiklar som sprids mot ytan. Fotavtrycket för denna sekundära dusch är enormt, vilket kräver att detektorer täcker ett område som är lika stort som Telescope Array. Ytdetektorerna använder en uppsättning instrumentering som ger forskarna information om varje kosmisk stråle; Tidpunkten för signalen visar dess bana och antalet laddade partiklar som träffar varje detektor avslöjar energin hos den primära partikeln.

Eftersom partiklarna är laddade liknar deras flygbana den för en boll i ett flipperspel när de sicksackar mot elektromagnetiska fält över den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Det är nästan omöjligt att spåra vägarna för de flesta kosmiska strålar, som är i den nedre till mitten av energispektrumet. Även kosmiska strålar med hög energi förvrängs av mikrovågsbakgrunden. Oh-My-God och Amaterasu-drivna partiklar passerar relativt oböjda genom det intergalaktiska rymden. Endast de mest kraftfulla himmelska händelserna kan producera dem.

“Saker som människor anser vara energiska, som supernovor, är inte tillräckligt energiska för detta. Det krävs enorma mängder energi, riktigt höga magnetfält för att begränsa partikeln när den accelererar, säger Matthews.

Kosmisk strålning med ultrahög energi måste överstiga 5 x 1019 eV. Det betyder att en enda subatomär partikel bär samma kinetiska energi som en snabbboll från en Major League-pitcher och har tiotals miljoner gånger mer energi än någon konstgjord partikelaccelerator kan uppnå. Astrofysiker beräknade denna teoretiska gräns, känd som Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK)-gränsen, som den maximala energi som en proton kan innehålla när den färdas långa sträckor innan effekten av interaktioner med mikrovågsbakgrundsstrålning tar bort den. Kända kandidatkällor, som aktiva galaktiska kärnor eller svarta hål med ansamlingsskivor som avger partikelstrålar, tenderar att vara mer än 160 miljoner ljusår från jorden. Den nya partikeln är 2,4 x 10tjugo eV och Oh-My-God-partikeln 3,2 x 10tjugo eV överskrider lätt gränsen.

En helikopter flyger med en ytdetektor hängande i ett rep framför andra detektorer på marken.

FOTO FÖRFATTARE: Cosmic Ray Research Institute, University of Tokyo

Ytdetektorerna som helikoptern ska sätta in.

Ladda ner bilden i full upplösning

Forskare analyserar också sammansättningen av kosmiska strålar för ledtrådar till deras ursprung. En tyngre partikel, som järnkärnor, är tyngre, har mer laddning och är mer mottaglig för att böjas i ett magnetfält än en lättare partikel gjord av protoner från en väteatom. Den nya partikeln är sannolikt en proton. Partikelfysik dikterar att en kosmisk stråle med energi bortom GZK-gränsen är för kraftfull för att mikrovågsbakgrunden ska förvränga sin väg, men att spåra dess väg pekar mot det tomma rymden.

“Kanske är magnetfälten starkare än vi trodde, men det stämmer inte överens med andra observationer som visar att de inte är tillräckligt starka för att producera betydande krökning vid dessa energier på tio till tjugo elektronvolt,” sa Belz. “Det är ett riktigt mysterium.”

Att utöka fotavtrycket

Telescope Array är unikt placerad för att upptäcka kosmiska strålar med ultrahög energi. Den ligger på cirka 1 200 m (4 000 fot), den optimala höjdpunkten som tillåter maximal utveckling av sekundära partiklar, men innan de börjar sönderfalla. Dess läge i Utahs västra öken ger idealiska atmosfäriska förhållanden på två sätt: torr luft är avgörande eftersom fuktighet kommer att absorbera det ultravioletta ljuset som behövs för upptäckt; och regionens mörka himmel är avgörande, eftersom ljusföroreningar kommer att generera för mycket buller och skymma kosmiska strålar.

Astrofysiker är fortfarande förbryllade över detta mystiska fenomen. Telescope Array är mitt uppe i en expansion som de hoppas ska hjälpa till att lösa fallet. När det är klart kommer 500 nya scintillationsdetektorer att utökas. Telescope Array kommer att ta prov på kosmisk strålningsinducerade partikelskurar över 2 900 km.2 (1 100 mil2 ), ett område nästan lika stort som Rhode Island. Det större fotavtrycket förväntas fånga fler händelser som belyser vad som händer.

KONTAKTER MED MEDIA OCH PR.

  • Lisa Potter
    Forskningskommunikationsspecialist, University of Utah Communications
    949-533-7899

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *