Plads

Kosmisk Mysterium Endelig Knækket Takket være Supertungt Sort Hul, der Stråler af Energi Lige på Jorden

Kunstnerens gengivelse af en aktiv galaktiske nucleusIllustration: DESY, Science Communication Lab Ryan F. Mandelbaum54 minutter agoFiled at: stor discoveriesFiled til: store opdagelser

store opdagelser
plads
videnskab
kosmiske stråler
astrofysik
particle astrophysics
astronomi
multimessenger astronomi
fysik
neutrinoer
gamma stråler

Hvert så ofte, protoner og endda hele atomkerner ramme Jorden med ekstremt høje energier—langt højere, end hvad forskerne kan producere i deres mest magtfulde fysik eksperimenter. Siden opdagelsen af den “kosmiske stråler” for hundrede år siden, ingen vidste med sikkerhed, hvor de mest energiske af disse partikler kom fra—indtil nu.

På torsdag, forskere fra institutioner over hele verden har meddelt, at de har bekræftet en kilde til disse ultra high energy kosmiske stråler, takket være kombineret data fra lys og en enkelt høj-energi neutrino partikel. Denne kilde er en blazar, et supertungt sort hul i centrum af en galakse, der udsender høj-energi stråler af lys og stråling pegede lige på Jorden. Opdagelsen er et højdepunkt i den nye “multimessenger” æra i astronomien, hvor partikler andet end lys, som neutrinoer, støtte i forskernes forståelse af kosmos.

“Efter et århundrede, fandt vi endelig en kilde af kosmiske stråler,” Francis Halzen, University of Wisconsin fysiker og princippet efterforsker IceCube Neutrino Observatory, fortalte Gizmodo. “Men hvad der er lige så spændende er den måde, vi fandt den.”

På September 22, 2017, Isterning detektor på sydpolen spottet en partikel kaldet en neutrino med en utrolig mængde af energi—290 tera-elektron volt eller mere end 290,000 gange den energi proton i hvile, og ti gange mere energisk end protoner i Large Hadron Collider.

Detektoren er computere beregnet, hvor neutrino kom fra, og sendte koordinater i en meddelelse, at astronomer over hele verden. Seks dage senere, Jorden kredsende Fermi Large Area Telescope rapporterede, at en blazar hedder TXS 0506+056, fire milliarder lysår væk, var på samme sted, i henhold til det papir, der er offentliggjort i dag i Science. En lys sort hul i centrum af en galakse spise op støv, der omgiver det og spyttede ud af høj-energi stråler af partikler og lys i vores retning. Andre teleskoper, der fortsat ønsker at få flere detaljer.

“Vi fornemmede denne neutrino, så Fermi fortalte os, at der var en blazar højre i retning af de neutrinoer, så alle teleskoper begyndte at kigge,” sagde Halzen. “Hvis der ikke havde været en multimessenger kampagne, denne kilde ville aldrig er blevet identificeret som noget særligt.”

Opdagelsen var lang tid undervejs. Historien går på, at i 1912, Østrigsk fysiker Victor Hess indså, at der er mere stråling højere op i atmosfæren, hvor partikler slam Jorden fra det ydre rum. Sikker på, vi får stråling fra Solen og den kosmiske stråler fra supernova, men fysikerne kunne ikke finde ud af, hvad der sendes højeste energi partikler, protoner og hele atomkerner. Disse kan have energier, der er højere end 1020 elektron volt. Som, ja, det er en masse.

For nylig har forskere observeret sammenfald af neutrinoer og lys fra velundersøgte supernova i 1987, forklarede Freya Blekman, en fysiker ved Vrije Universiteit Brussel, der ikke var involveret i undersøgelsen. Lige siden derefter, “fysikere har forsøgt at teste, om det er sandt, at astrofysiske objekter producerer underskrifter som, for eksempel, kosmisk partikler, optisk lys, radio, og neutrinoer.”

Og da Isterning detektor på sydpolen fuldt ud kom online i 2010, har det målt ekstremt høj-energi neutrinoer uden en oplagt kilde.

Dagens meddelelse binder alle disse løse ender sammen. På Isterning, 86 strenge er begravet under en km is, med over 5.000 lys sensorer, der dækker en terning, en kilometer på en side. Neutrinoer næppe interagere med noget på Jorden, men når de har nok energi, de kan interagere med is i nærheden af detektoren og producere en flash resulterer partikler rejser hurtigere end isen normalt ville tillade.

Neutrino, der peger tilbage mod blazar, er sandsynligvis ikke en tilfældighed. “Tak til Fermi satellit, har vi fundet tre sigma for det at være en tilfældighed,” Elisa Bernardini, professor for Gamma-ray og Neutrino Astroparticle Fysik på Humboldt Universitet i Berlin, forklarede, at Gizmodo. “Det betyder, at det efterlader meget lidt plads til at sige det neutrinoer er ikke korreleret med netop dette objekt.” Fysikere har siden kigget på næsten et årti tidligere Isterning data, og fandt endnu mere høj-energi neutrino begivenheder, der kommer fra TXS 0506+056 ‘ s retning i 2014 til 2015, ifølge en anden rapport, der blev offentliggjort i dag i Science.

Det forklarer de neutrinoer, men hvordan kan det forklare ultra high energy kosmiske stråler? Kosmisk oprindelse er forblevet et mysterium, fordi de rejser ikke i lige linjer; de er bøjet af magnetiske felter, som gennemsyrer det mellemliggende rum. Det betyder, at hvis man ser på den retning, hvorfra de kom, og det vil sandsynligvis ikke være på linje med, hvad spyttede dem ud—dette specifikke blazar kosmiske stråler sandsynligvis ikke rammer Jorden, for eksempel. Neutrinoer og fotoner ikke bøje sig, selv om. Høj-energi fotoner er ikke nødvendigvis en indikation af kosmiske stråler, og kan komme fra elektroner, sagde Bernardini. Men høj-energi neutrinoer vil kun fremgå af interaktioner med hadrons, ting lavet af kvarker, som protoner eller endda hele atomkerner. Ting som kosmiske stråler.

Så, ikke kun blazars producere høj-energi gamma stråler, men de producerer også høj-energi protoner og kerner, som derefter producere neutrinoer. Med andre ord, blazars kan producere de ultra high energy kosmiske stråler, som har forvirret forskere i årtier.

Denne opdagelse var bestemt ikke let, sagde Blekman. “Du har ikke noget valg af eksperimenter i astronomi, er du bare nødt til at være heldig, at der er noget ‘flyver’ i dit teleskop, eller at din teleskopet pegede i den rigtige måde, når noget ekstremt sker.”

Og mens dette kan være en spændende observation, det er bare en, så det kan ikke forklare alle de kosmiske stråler eller hvordan de er lavet. “Vi har helt klart brug for flere data. En kilde er ikke nok,” fysiker Spencer Klein på Lawrence Berkeley National Lab fortalte Gizmodo. “Nu, at vi har fundet en accelerator, vil vi gerne finde ud af mere og finde ud af, hvordan de fungerer.”

Alt det arbejde bare går til at vise betydningen af at have masser af teleskoper, der arbejder sammen for at observere himlen. “Vi havde ikke fornemmet, neutrino, dette ville ikke være sket,” sagde Halzen. “Et enkelt teleskop kunne ikke have gjort dette gennembrud.”

[Videnskab, Videnskab]