Raza cosmica cu o energie extrem de mare detectata recent

In 1991, experimentul de la Universitatea din Utah Fly’s Eye a detectat cea mai mare raza cosmica de energie inalta observata vreodata.

Numita mai tarziu particula Oh-My-God, energia razei cosmice i-a socat pe astrofizicieni. Nimic din galaxia noastra nu avea puterea de a o produce, iar particula avea mai multa energie decat era teoretic posibila pentru razele cosmice care calatoresc pe Pamant din alte galaxii. Pur si simplu, particula nu ar trebui sa existe.

Telescopul Array a observat de atunci peste 30 de raze cosmice de energie ultra-inalta, desi niciuna nu se apropie de energia de la nivelul Oh-My-God. Nicio observatie nu a dezvaluit inca originea lor sau modul in care sunt capabile sa calatoreasca spre Pamant.

Raza cosmica detectata in anul 2021

Pe 27 mai 2021, experimentul Telescope Array a detectat a doua cea mai mare raza cosmica cu energie extrema. La 2,4 x 10^20eV, energia acestei particule subatomice unice este echivalenta cu o cadere a unei caramizi de la inaltimea taliei pe degetele de la picioare.

Condus de Universitatea din Utah si Universitatea din Tokyo, experimentul a folosit Telescopul Array, care consta din 507 statii de detectoare de suprafata aranjate intr-o retea patrata care acopera 700 km² in afara Delta, Utah, in desertul de vest al statului.

Evenimentul a declansat 23 de detectoare in regiunea de nord-vest a Telescopului Array, imprastiate pe o suprafata de 48 km². Directia sa de sosire parea sa fie din Vidul Local, o zona goala a spatiului care margineste galaxia Calea Lactee.

„Particulele au o energie atat de mare, incat nu ar trebui sa fie afectate de campurile magnetice galactice si extragalactice. Ar trebui sa putem detecta de unde vin ele”, a spus John Matthews, coautor al studiului.

„Dar in cazul particulei Oh-My-God si a acestei noi particule, ii urmaresti traiectoria pana la sursa ei si nu exista nimic suficient de mare pentru a o fi produs. Acesta este misterul – oare ce se intampla?”

In observatia lor publicata in revista Science, o colaborare internationala a cercetatorilor, se descrie raza cosmica de ultra-inalta energie, se evalueaza caracteristicile acesteia si se concluzioneaza ca fenomenele rare ar putea urma fizica particulelor necunoscuta inca stiintei.

Cercetatorii au numit-o particula Amaterasu dupa zeita soarelui din mitologia japoneza. Particulele Oh-My-God si Amaterasu au fost detectate folosind diferite tehnici de observare, confirmand ca, desi rare, aceste evenimente de ultra-inalta energie sunt reale.

„Aceste evenimente par sa vina din locuri complet diferite de pe cer. Nu este ca si cum ar fi o singura sursa misterioasa”, a spus John Belz, coautor al studiului. „Ar putea fi defecte ale structurii spatiu-timpului, ciocnirea corzilor cosmice. Dar nu exista o explicatie conventionala”.

Acceleratorii naturali de particule

Razele cosmice sunt ecourile unor evenimente ceresti violente care au indepartat materia in structurile sale subatomice si au aruncat-o prin univers aproape cu viteza luminii.

In esenta, fiecare raza cosmica contine particule incarcate cu o gama larga de energii constand din protoni pozitivi, electroni negativi sau nuclee atomice intregi care calatoresc prin spatiu si ajung pe Pamant aproape constant.

Razele cosmice lovesc atmosfera superioara a Pamantului si explodeaza nucleul de oxigen si azot gazos, generand multe particule secundare.

Acestea calatoresc pe o distanta scurta in atmosfera si repeta procesul, formand o ploaie de miliarde de particule secundare care se imprastie la suprafata. Amprenta acestui dus secundar este masiva si necesita ca detectoarele sa acopere o zona la fel de mare precum Telescopul Array.

Detectoarele de suprafata utilizeaza o suita de instrumente care ofera cercetatorilor informatii despre fiecare raza cosmica; sincronizarea semnalului arata traiectoria acestuia, iar cantitatea de particule incarcate care lovesc fiecare detector dezvaluie energia particulei primare.

Deoarece particulele au o sarcina, calea lor de zbor seamana cu o minge dintr-un aparat de flipper, in forma de zigzag impotriva campurilor electromagnetice prin fundalul cosmic cu microunde.

Este aproape imposibil de urmarit traiectoria majoritatii razelor cosmice, care se afla in partea de jos pana la mijlocul spectrului energetic.

Chiar si razele cosmice de inalta energie sunt distorsionate de fundalul cu microunde. Particulele cu energia Oh-My-God si Amaterasu explodeaza prin spatiul intergalactic relativ neinclinat. Numai cele mai puternice evenimente ceresti le pot produce.

„Lucrurile pe care oamenii le considera energetice, cum ar fi supernova, nu sunt deloc suficient de energetice pentru asta. Aveti nevoie de cantitati uriase de energie, campuri magnetice foarte mari pentru a limita particula in timp ce aceasta este accelerata”, a spus Matthews.

Ce energie trebuie sa aiba o raza cosmica pentru a putea fi detectata

Razele cosmice de ultra-inalta energie trebuie sa depaseasca 5 x 1019 eV. Aceasta inseamna ca o singura particula subatomica poarta aceeasi energie cinetica ca mingea rapida a unui aruncator de liga majora si are de zeci de milioane de ori mai multa energie decat poate obtine orice accelerator de particule creat de om.

Astrofizicienii au calculat aceasta limita teoretica, cunoscuta sub numele de limita Greisen–Zatsepin–Kuzmin (GZK), ca fiind energia maxima pe care o poate retine un proton calatorind pe distante lungi inainte ca efectul interactiunilor radiatiei de fundal cu microunde sa le preia energia.

Sursele candidate cunoscute, cum ar fi nucleele galactice active sau gaurile negre cu discuri de acretie care emit jeturi de particule, tind sa fie la mai mult de 160 de milioane de ani lumina distanta de Pamant. 2,4 x 1020 eV ale noii particule si 3,2 x 1020 eV ale particulei Oh-My-God depasesc cu usurinta limita.

Cercetatorii analizeaza, de asemenea, compozitia razelor cosmice pentru a gasi indicii despre originile acestora. Particule mai grele, precum cele din nucleele de fier, au mai multa sarcina si sunt mai susceptibile la indoire intr-un camp magnetic decat o particula mai usoara formata din protonii unui atom de hidrogen.

Noua particula este probabil un proton. Fizica particulelor dicteaza ca o raza cosmica cu energie dincolo de limita GZK este prea puternica pentru ca fundalul cu microunde sa-i distorsioneze calea, dar trasarea inapoi a traiectoriei sale indica un spatiu gol.

„Poate ca aceste campuri magnetice sunt mai puternice decat am crezut, dar asta nu este de acord cu alte observatii care arata ca nu sunt suficient de puternice pentru a produce o curbura semnificativa la aceste energii de 1020 de electroni volti”, a spus Belz. Este un adevarat mister.

Extinderea amprentei telescopului pentru a capta o noua raza cosmica

Telescopul Array este pozitionat in mod unic pentru a detecta fiecare raza cosmica cu energie ultra-inalta. Se afla la aproximativ 1.200 m, punctul ideal de altitudine care permite particulelor secundare dezvoltarea maxima, dar inainte ca acestea sa inceapa sa se degradeze.

Locatia sa in desertul de vest al Utah ofera conditii atmosferice ideale in doua moduri: aerul uscat este crucial, deoarece umiditatea va absorbi lumina ultravioleta necesara detectarii; iar cerurile intunecate ale regiunii sunt esentiale, deoarece poluarea luminoasa va crea prea mult zgomot si va ascunde razele cosmice.

Astrofizicienii sunt inca derutati de fenomenele misterioase. Telescopul Array se afla in mijlocul unei extinderi care spera ca va ajuta la rezolvarea cazului.

Odata finalizate, 500 de noi detectoare cu scintilatoare vor extinde Telescopul Array si vor esantiona ploi de particule induse de raze cosmice pe o suprafata de 2.900 km², o zona aproape de dimensiunea Rhode Island.

Amprenta mai mare va capta, speram, mai multe evenimente care vor face lumina asupra a ceea ce se intampla.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: phys.org, sciencedaily.com, techexplorist.com, nature.com.

Foto: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.