Astronomen schockiert über mysteriöse, extrem energiereiche kosmische Strahlung – „Was zum Teufel ist los?“

Astrophysiker der University of Utah und des Telescope Array haben kosmische Strahlen mit Energien jenseits theoretischer Grenzen entdeckt, die das derzeitige Verständnis der Teilchenphysik in Frage stellen. Diese Entdeckungen, darunter die OMG- und Amaterasu-Teilchen, weisen auf unbekannte kosmische Phänomene hin und stehen im Mittelpunkt der laufenden Forschung.

Das neu benannte Amaterasu-Teilchen vertieft nach dem Oh-My-God-Teilchen das Geheimnis des Ursprungs, der Ausbreitung und der Teilchenphysik seltener, ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung.

Im Jahr 1991 entdeckte das Fly’s Eye-Experiment der University of Utah die energiereichste kosmische Strahlung, die jemals beobachtet wurde. Die später als „Oh mein Gott“-Teilchen bezeichnete Energie der kosmischen Strahlung schockierte Astrophysiker. Nichts in unserer Galaxie war in der Lage, dies zu erzeugen, und das Teilchen hatte mehr Energie, als theoretisch für kosmische Strahlung möglich wäre, die von anderen Galaxien zur Erde wandert. Einfach ausgedrückt: Das Teilchen sollte nicht da sein.

Astronomische Rätsel

Das Teleskop-Array hat seitdem mehr als 30 hochenergetische kosmische Strahlen entdeckt, von denen jedoch keine annähernd das Energieniveau erreichte. Bisher konnten keine Beobachtungen über ihren Ursprung oder die Art und Weise, wie sie zur Erde gelangen konnten, aufgedeckt werden.

Künstlerische Darstellung der hochenergetischen kosmischen Strahlung, die vom Oberflächendetektorarray des Array Telescope beobachtet wird und Amaterasu-Partikel genannt wird. Quelle: Osaka Metropolitan University/L-Insight, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Am 27. Mai 2021 entdeckte das Telescope Array-Experiment die kosmische Strahlung mit der zweithöchsten Energie. Größe 2,4 x 10²⁰Volt, die Energie dieses einzelnen subatomaren Teilchens entspricht dem Fall eines Steins aus Hüfthöhe auf Ihren Zeh. Das von der University of Utah (U) und der University of Tokyo geleitete Teleskop-Array besteht aus 507 Oberflächendetektionsstationen, die in einem quadratischen Raster über 700 km angeordnet sind² (~270 Meilen²) außerhalb von Delta, Utah, in der westlichen Wüste des Bundesstaates. Dieses Ereignis löste 23 Detektoren im nordwestlichen Bereich des Teleskoparrays aus, verteilt über eine Entfernung von 48 km.² (18,5 Meilen²). Seine Ankunftsrichtung scheint von der lokalen Leere ausgegangen zu sein, einem leeren angrenzenden Raumbereich Milchstraße Galaxis.

„Die Teilchen sind sehr energiereich und sollten nicht von galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldern beeinflusst werden. Sie sollten in der Lage sein, darauf hinzuweisen, wo am Himmel sie herkamen“, sagte John Matthews, ein Sprecher des Telescope Array an der University of Kalifornien und Co-Autor der Studie. Aber im Fall des Oh My God-Teilchens und dieses neuen Teilchens kann man es bis zu seiner Quelle zurückverfolgen, und es gibt nichts, das hoch genug Energie hat, um es zu erzeugen. Das ist das Geheimnis dahinter – was zum Teufel ist hier los?

Amaterasu-Teilchen

In ihrer am 24. November 2023 im Magazin veröffentlichten Notiz Wissenschaften, eine internationale Forscherkooperation, beschrieb extrem energiereiche kosmische Strahlung, bewertete ihre Eigenschaften und kam zu dem Schluss, dass seltene Phänomene der Teilchenphysik folgen könnten, die der Wissenschaft unbekannt ist. Die Forscher nannten es das Amaterasu-Teilchen, nach der Sonnengöttin in der japanischen Mythologie. Oh-My-God- und Amaterasu-Partikel wurden mit unterschiedlichen Beobachtungstechniken entdeckt, was bestätigt, dass diese extrem energiereichen Ereignisse zwar selten, aber real sind.

Künstlerische Illustration der Astronomie ultraenergetischer kosmischer Strahlung zur Veranschaulichung hochenergetischer Phänomene im Gegensatz zu schwächeren kosmischen Strahlen, die durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden. Quelle: Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

„Diese Ereignisse scheinen von völlig unterschiedlichen Orten am Himmel zu kommen. Es ist nicht so, dass es eine einzige mysteriöse Quelle gäbe“, sagte John Bales, Professor an der U und Mitautor der Studie. „Es könnten Unvollkommenheiten in der Struktur von sein.“ Raumzeit, Kollisionen kosmischer Strings. Ich meine, ich spreche nur von den verrückten Ideen, die Menschen haben, weil es keine konventionelle Erklärung gibt.

Natürliche Teilchenbeschleuniger

Kosmische Strahlen sind Echos heftiger Himmelsereignisse, die Materie in ihre subatomare Struktur zerlegten und sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Universum schleuderten. Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich im Wesentlichen um geladene Teilchen mit einem breiten Energiespektrum, bestehend aus positiven Protonen, negativen Elektronen oder ganzen Atomkernen, die durch den Weltraum wandern und fast kontinuierlich auf die Erde fallen.

Kosmische Strahlung trifft auf die obere Erdatmosphäre und explodiert die Kerne aus Sauerstoff- und Stickstoffgas, wodurch viele Sekundärteilchen entstehen. Diese Partikel wandern eine kurze Strecke in die Atmosphäre und wiederholen den Vorgang, wodurch ein Schauer aus Milliarden Sekundärpartikeln entsteht, die über die Oberfläche verstreut werden. Die Fläche dieses sekundären Schauers ist enorm und erfordert, dass die Detektoren eine Fläche abdecken, die so groß ist wie ein Teleskoparray. Oberflächendetektoren verwenden eine Kombination von Geräten, die Forschern Informationen über jeden kosmischen Strahl liefern; Der Zeitpunkt des Signals zeigt seinen Weg und die Menge der geladenen Teilchen, die auf jeden Detektor treffen, verrät die Energie des Elementarteilchens.

Da die Teilchen eine Ladung haben, ähnelt ihre Flugbahn einer Kugel in einem Flipper, die im Zickzack gegen elektromagnetische Felder durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund fliegt. Es ist nahezu unmöglich, den Weg der meisten kosmischen Strahlen zu verfolgen, die am unteren bis mittleren Ende des Energiespektrums liegen. Selbst hochenergetische kosmische Strahlung wird durch den Mikrowellenhintergrund verzerrt. Partikel, die die Energie von Oh-My-God und Amaterasu enthalten, fliegen in einer relativ ungebeugten Form durch den intergalaktischen Raum. Nur die stärksten Himmelsereignisse können sie hervorbringen.

„Dinge, von denen die Menschen denken, dass sie aktiv sind, wie zum Beispiel Supernovae, sind bei weitem nicht energiereich genug, um das zu bewirken. Wir brauchen riesige Energiemengen und sehr hohe Magnetfelder, um das Teilchen bei seiner Beschleunigung einzuschließen“, sagte Matthews.

Das Geheimnis der ultraenergetischen kosmischen Strahlung

Hochenergetische kosmische Strahlung muss 5 x 10 überschreiten¹⁹ Volt. Das bedeutet, dass ein einzelnes subatomares Teilchen die gleiche kinetische Energie wie der Fastball eines großen Feldspielers trägt und zig Millionen Mal mehr Energie hat, als jeder künstliche Teilchenbeschleuniger erreichen könnte. Astrophysiker haben diese theoretische Grenze, bekannt als Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK)-Grenzwert, als die maximale Energiemenge berechnet, die ein Proton auf langen Strecken transportieren kann, bevor ihm die Wechselwirkungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Energie entziehen. Bekannte Kandidatenquellen wie aktive galaktische Kerne oder Schwarze Löcher mit Akkretionsscheiben, die Teilchenstrahlen aussenden, sind in der Regel mehr als 160 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Das neue Teilchen ist 2,4×10²⁰ Ein Volt und ein Teilchen, oh mein Gott, 3,2 x 10²⁰ Volt überschreitet leicht den Grenzwert.

Forscher analysieren auch die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung, um Hinweise auf deren Ursprung zu finden. Schwerere Teilchen wie Eisenkerne sind schwerer, haben eine größere Ladung und neigen eher dazu, sich in einem Magnetfeld zu verbiegen als leichtere Teilchen aus Wasserstoffprotonen. Mais. Das neue Teilchen dürfte ein Proton sein. Die Teilchenphysik schreibt vor, dass ein kosmischer Strahl mit einer Energie, die den GZK-Grenzwert überschreitet, so stark ist, dass der Mikrowellenhintergrund seinen Pfad nicht verzerren kann, sondern seine Pfadpunkte in den leeren Raum verfolgt.

„Magnetfelder mögen stärker sein als wir dachten, aber das steht im Widerspruch zu anderen Beobachtungen, die zeigen, dass sie nicht stark genug sind, um bei Energien von 10 bis 20 MeV eine signifikante Krümmung zu erzeugen“, sagte Bales. „Es ist ein echtes Mysterium.“

Erweitern Sie die Suche und das Teleskop-Array

Die Teleskop-Array Es ist einzigartig positioniert, um sehr energiereiche kosmische Strahlung zu erkennen. Es befindet sich auf einer Höhe von etwa 1.200 Metern (4.000 Fuß), dem idealen Höhenpunkt, der es Sekundärpartikeln ermöglicht, sich maximal zu entwickeln, jedoch bevor sie zu zerfallen beginnen. Sein Standort in der westlichen Wüste Utahs bietet in zweierlei Hinsicht ideale Wetterbedingungen: Trockene Luft ist von entscheidender Bedeutung, da Feuchtigkeit das für die Erkennung erforderliche ultraviolette Licht absorbiert. Ein dunkler Himmel ist notwendig, da Lichtverschmutzung viel Lärm verursacht und die kosmische Strahlung blockiert.

Astrophysiker rätseln immer noch über dieses mysteriöse Phänomen. Das Teleskop-Array befindet sich mitten in einem Erweiterungsprozess, von dem sie hoffen, dass er zur Lösung dieses Problems beiträgt. Nach der Fertigstellung werden 500 neue Szintillationsdetektoren das Array des Teleskops erweitern und Teilchenschauer, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden, über 2.900 Kilometer hinweg messen.² (1100 Meilen² ), eine Fläche etwa so groß wie der Bundesstaat Rhode Island. Hoffentlich werden durch die größere Fläche mehr Ereignisse erfasst, die Aufschluss darüber geben, was vor sich geht.

Weitere Informationen zu dieser Entdeckung:

Referenz: „Eine extrem energiereiche kosmische Strahlung, die von einem Oberflächendetektorarray entdeckt wurde“ 23. November 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.abo5095