Bildnachweis: NASA
Astronomen glauben, dass Gammastrahlenausbrüche, die stärksten Explosionen im Universum, ultrahochenergetische kosmische Strahlen erzeugen können, die energiereichsten Teilchen im Universum. Die vom umkreisten Compton Gamma-Ray Observatory der NASA gesammelten Beweise zeigten, dass diese hochenergetischen Partikel in einem Fall eines Gammastrahlenausbruchs den Bereich dominierten, der eine Verbindung zwischen ihnen herstellte, aber dies ist kaum genug Beweis, um zu sagen, dass sie eindeutig miteinander verbunden sind .
Die stärksten Explosionen im Universum, Gammastrahlenausbrüche, können laut einer neuen Analyse der Beobachtungen des Compton Gamma-Ray Observatory der NASA die energiereichsten Teilchen im Universum erzeugen, die als ultrahochenergetische kosmische Strahlen (UHECRs) bekannt sind.
Forscher berichten in der Ausgabe von Nature vom 14. August über ein neu identifiziertes Muster im Licht dieser rätselhaften Ausbrüche, das durch Protonen erklärt werden könnte, die sich innerhalb der Lichtgeschwindigkeit eines Haares bewegen.
Diese Protonen könnten wie Splitter einer Explosion UHECRs sein. Solche kosmischen Strahlen sind selten und stellen ein dauerhaftes Rätsel in der Astrophysik dar, das sich scheinbar der physikalischen Erklärung entzieht, da sie einfach viel zu energisch sind, als dass sie durch bekannte Mechanismen wie Supernova-Explosionen erzeugt worden wären.
"Kosmische Strahlen" vergessen ", woher sie kommen, weil sie im Gegensatz zu Licht von Magnetfeldern im Weltraum gepeitscht werden", sagte die Hauptautorin Maria Magdalena Gonzalez vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico und Doktorandin an der Universität von Wisconsin. "Dieses Ergebnis ist eine aufregende Gelegenheit, möglicherweise Beweise dafür zu sehen, dass sie an ihrer Quelle hergestellt werden."
Gammastrahlenexplosionen - ein Rätsel, das Wissenschaftler endlich zu lösen beginnen - können so brillant scheinen wie eine Million Billionen Sonnen, und viele stammen möglicherweise von einem ungewöhnlich starken Typ eines explodierenden Sterns. Die Ausbrüche sind häufig, aber zufällig und flüchtig und dauern nur Sekunden.
Kosmische Strahlung sind Atomteilchen (zum Beispiel Elektronen, Protonen oder Neutrinos), die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Kosmische Strahlen mit niedrigerer Energie bombardieren die Erde ständig, angetrieben von Sonneneruptionen und typischen Sternexplosionen. UHECRs, bei denen jedes Atomteilchen die Energie eines in den Major Leagues geworfenen Baseballs trägt, sind hundert Millionen Mal energiereicher als die Teilchen, die in den größten vom Menschen hergestellten Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.
Wissenschaftler sagen, dass die UHECRs relativ nahe an der Erde erzeugt werden müssen, da jedes Teilchen, das sich weiter als 100 Millionen Lichtjahre bewegt, einen Teil seiner Energie verlieren würde, wenn es uns erreicht. Dennoch scheint keine lokale Quelle gewöhnlicher kosmischer Strahlung stark genug zu sein, um einen UHECR zu erzeugen.
Das von Gonzalez geleitete Papier konzentriert sich nicht speziell auf die UHECR-Produktion, sondern auf ein neues Lichtmuster, das in einem Gammastrahlenausbruch zu sehen ist. Die Gruppe griff tief in die Archive des Compton Observatory ein (die Mission endete im Jahr 2000) und stellte fest, dass ein Gammastrahlenausbruch von 1994 mit dem Namen GRB941017 anders aussieht als die anderen 2.700 Ausbrüche, die von diesem Raumschiff aufgezeichnet wurden. Dieser Ausbruch befand sich in Richtung des Sternbilds Sagitta, des Pfeils, wahrscheinlich zehn Milliarden Lichtjahre entfernt.
Was Wissenschaftler Gammastrahlen nennen, sind Photonen (Lichtteilchen), die einen weiten Bereich von Energien abdecken, die tatsächlich über eine Million Mal breiter sind als die Energien, die unsere Augen als Farben in einem Regenbogen registrieren. Gonzalez 'Gruppe betrachtete die energiereicheren Gammastrahlenphotonen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass diese Arten von Photonen den Burst dominierten: Sie waren im Durchschnitt mindestens dreimal so stark wie die Komponente mit niedrigerer Energie, aber überraschenderweise nach etwa 100 Sekunden tausendmal stärker.
Das heißt, während der Fluss von Photonen mit niedrigerer Energie, die auf die Detektoren des Satelliten trafen, nachließ, blieb der Fluss von Photonen mit höherer Energie konstant. Der Befund steht im Widerspruch zu dem beliebten „Synchrotron-Schockmodell“, das die meisten Bursts beschreibt. Was könnte diese Anreicherung von Photonen mit höherer Energie erklären?
"Eine Erklärung ist, dass kosmische Strahlen mit ultrahoher Energie verantwortlich sind, aber genau wie sie die Gammastrahlen mit den Energiemustern erzeugen, die wir gesehen haben, muss viel berechnet werden", sagte Dr. Brenda Dingus von LANL, Mitautorin des Papiers. "Wir werden einige Theoretiker damit beschäftigen, dies herauszufinden."
Eine verzögerte Injektion von ultrahochenergetischen Elektronen bietet eine weitere Möglichkeit, den unerwartet großen hochenergetischen Gammastrahlenfluss zu erklären, der in GRB 941017 beobachtet wird. Diese Erklärung würde jedoch eine Überarbeitung des Standard-Burst-Modells erfordern, sagte Co-Autor Dr. Charles Dermer. ein theoretischer Astrophysiker am US Naval Research Laboratory in Washington. "In beiden Fällen zeigt dieses Ergebnis einen neuen Prozess, der bei Gammastrahlenausbrüchen auftritt", sagte er.
Gammastrahlenausbrüche wurden nicht innerhalb von 100 Millionen Lichtjahren von der Erde entdeckt, aber im Laufe der Äonen können diese Arten von Explosionen lokal aufgetreten sein. Wenn ja, sagte Dingus, könnte der Mechanismus, den ihre Gruppe in GRB 941017 sah, in der Nähe von zu Hause dupliziert worden sein, nahe genug, um die UHECRs zu liefern, die wir heute sehen.
Andere Bursts im Archiv des Compton Observatory haben möglicherweise ein ähnliches Muster gezeigt, aber die Daten sind nicht schlüssig. Das für 2006 geplante Gammastrahlen-Weltraumteleskop (GLAST) der NASA wird über Detektoren verfügen, die leistungsstark genug sind, um energiereichere Gammastrahlenphotonen aufzulösen und dieses Rätsel zu lösen.
Zu den Mitautoren des Nature-Berichts gehört auch Ph.D. Doktorand Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece und Dr. Michael Briggs von der University of Alabama in Huntsville. Diese Forschung wurde von der NASA und dem Office of Naval Research finanziert.
UHECRs werden beobachtet, wenn sie in unsere Atmosphäre krachen, wie in der Abbildung dargestellt. Die Energie der Kollision erzeugt einen Luftschauer aus Milliarden von subatomaren Partikeln und ultravioletten Lichtblitzen, die von speziellen Instrumenten erfasst werden.
Die National Science Foundation und internationale Mitarbeiter haben Instrumente vor Ort gesponsert, wie das hochauflösende Fliegenauge in Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) und das Auger Observatory in Argentinien (http: / /www.auger.org/). Darüber hinaus arbeitet die NASA mit der Europäischen Weltraumorganisation zusammen, um das Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) auf der Internationalen Raumstation zu platzieren. Die vorgeschlagene OWL-Mission würde vom Orbit nach unten in Richtung Luftduschen blicken und eine Region so groß wie Texas betrachten.
Diese Wissenschaftler zeichnen die Blitze auf und führen eine Zählung des subatomaren Splitters durch, um rückwärts zu berechnen, wie viel Energie ein einzelnes Teilchen benötigt, um die atmosphärische Kaskade zu erzeugen. Sie erreichen eine schockierende Zahl von 10 ^ 20 Elektronenvolt (eV) oder mehr. (Zum Vergleich: Die Energie in einem gelben Lichtteilchen beträgt 2 eV, und die Elektronen in Ihrer Fernsehröhre liegen im Energiebereich von 1000 Elektronenvolt.)
Diese ultrahochenergetischen Teilchen erfahren die bizarren Effekte, die von Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt werden. Wenn wir sie aus einer abgelegenen Ecke des Kosmos kommen sehen könnten, etwa hundert Millionen Lichtjahre entfernt, müssten wir geduldig sein - es wird hundert Millionen Jahre dauern, bis die Reise abgeschlossen ist. Wenn wir jedoch mit den Partikeln reisen könnten, wäre die Reise in weniger als einem Tag vorbei, da sich die Zeit schnell bewegender Objekte, wie von einem Beobachter gemessen, verlängert.
Die kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie können uns nicht einmal erreichen, wenn sie aus entfernten Quellen erzeugt werden, da sie mit den vom Urknall übrig gebliebenen kosmischen Mikrowellenphotonen kollidieren und Energie verlieren. Quellen dieser kosmischen Strahlung müssen relativ nahe bei uns in einer Entfernung von mehreren hundert Millionen Lichtjahren gefunden werden. In dieser Entfernung befinden sich Sterne, die als Gammastrahlenexplosionen explodieren. Daher werden intensive Beobachtungsbemühungen unternommen, um Reste von Gammastrahlenbursts zu finden, die sich durch von den kosmischen Strahlen erzeugte Strahlungshalos auszeichnen.
Nur wenige Arten von Himmelsobjekten besitzen die extremen Bedingungen, die erforderlich sind, um Partikel auf UHECR-Geschwindigkeit zu sprengen. Wenn Gammastrahlenexplosionen UHECRs erzeugen, beschleunigen sie wahrscheinlich Partikel in Materiestrahlen, die aus der Explosion mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden. Gammastrahlen-Bursts können UHECRs beschleunigen, aber die bisher beobachteten Gammastrahlen-Bursts waren weit entfernt und Milliarden von Lichtjahren entfernt. Dies bedeutet nicht, dass sie nicht in der Nähe innerhalb der UHECR-Grenzentfernung auftreten können.
Ein führender Anwärter auf langlebige Arten von Gammastrahlen-Bursts wie GRB941017 ist das Supernova / Collapsar-Modell. Supernovae treten auf, wenn ein Stern, der um ein Vielfaches massereicher als die Sonne ist, seinen Brennstoff erschöpft und sein Kern unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenbricht, während seine äußeren Schichten bei einer immensen thermonuklearen Explosion abgeblasen werden. Kollapsare sind eine spezielle Art von Supernova, bei der der Kern so massiv ist, dass er in ein Schwarzes Loch fällt, ein Objekt, das so dicht ist, dass nichts, nicht einmal Licht, seiner Schwerkraft im Ereignishorizont des Schwarzen Lochs entkommen kann. Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass Schwarze Löcher schlampige Esser sind, die Material ausstoßen, das in der Nähe ihres Ereignishorizonts verläuft, dieses jedoch nicht überschreitet.
In einem Kollapsar bildet der Kern des Sterns eine Materialscheibe um das neu gebildete Schwarze Loch, wie Wasser, das um einen Abfluss wirbelt. Das Schwarze Loch verbraucht den größten Teil der Scheibe, aber ein Teil der Materie wird in Düsen von den Polen des Schwarzen Lochs gesprengt. Die Jets zerreißen den kollabierenden Stern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und schlagen dann durch das Gas, das den zum Scheitern verurteilten Stern umgibt. Wenn die Jets in das interstellare Medium krachen, erzeugen sie Stoßwellen und werden langsamer. Interne Stöße bilden sich auch in den Düsen, wenn ihre Vorderkanten langsamer werden und von einem Strom von Hochgeschwindigkeitsmaterial von hinten zugeschlagen werden. Die Schocks beschleunigen Partikel, die Gammastrahlen erzeugen. Laut Team könnten sie Partikel auch auf UHECR-Geschwindigkeit beschleunigen.
"Es ist, als würde man einen Tischtennisball zwischen einem Paddel und einem Tisch hüpfen lassen", sagte Dingus. „Wenn Sie das Paddel näher an den Tisch bringen, springt der Ball immer schneller. Bei einem Gammastrahlenstoß werden das Paddel und der Tisch im Jet ausgeworfen. Turbulente Magnetfelder zwingen die Partikel dazu, zwischen den Schalen abzuprallen und sie auf fast Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, bevor sie sich als UHECRs lösen. “
Der Nachweis von Neutrinos aus Gammastrahlen-Bursts würde den Fall einer Beschleunigung der kosmischen Strahlung durch Gammastrahlen-Bursts klären. Neutrinos sind schwer fassbare Teilchen, die entstehen, wenn hochenergetische Protonen mit Photonen kollidieren. Neutrinos haben keine elektrische Ladung, zeigen also immer noch zurück in die Richtung ihrer Quelle.
Die National Science Foundation baut derzeit IceCube (http://icecube.wisc.edu/), einen Kubikkilometer-Detektor im Eis unter dem Südpol, um nach Neutrinoemissionen aus Gammastrahlenausbrüchen zu suchen. Die Eigenschaften der Teilchenbeschleuniger mit der höchsten Energie in der Natur bleiben jedoch ein dauerhaftes Rätsel, obwohl die Beschleunigung durch die explodierenden Sterne, die Gammastrahlenausbrüche verursachen, seit Mario Vietri (Universita di Roma) und Eli Waxman (Weizmann-Institut) dies befürwortet hat im Jahr 1995.
Das Team ist der Ansicht, dass andere Erklärungen für diese Beobachtung möglich sind, das Ergebnis jedoch mit der UHECR-Beschleunigung bei Gammastrahlen-Bursts übereinstimmt. Sie sahen bei der Explosion von GRB941017 sowohl energiearme als auch energiereiche Gammastrahlen. Die energiearmen Gammastrahlen sind das, was Wissenschaftler von Hochgeschwindigkeitselektronen erwarten, die durch intensive Magnetfelder abgelenkt werden, während die energiereichen Strahlen erwartet werden, wenn einige der beim Burst erzeugten UHECRs gegen andere Photonen stoßen und einen Schauer von Partikeln erzeugen Einige blinken, um die energiereichen Gammastrahlen zu erzeugen, wenn sie zerfallen.
Der Zeitpunkt der Gammastrahlenemission ist ebenfalls signifikant. Die energiearmen Gammastrahlen verschwanden relativ schnell, während die energiereichen Gammastrahlen verweilten. Dies ist sinnvoll, wenn zwei verschiedene Klassen von Teilchen - Elektronen und Protonen der UHECRs - für die verschiedenen Gammastrahlen verantwortlich sind. „Für Elektronen ist es viel einfacher als für Protonen, ihre Energie abzustrahlen. Daher wäre die Emission energiearmer Gammastrahlen von Elektronen kürzer als die energiereichen Gammastrahlen der Protonen “, sagte Dingus.
Das Compton Gamma Ray Observatory war das zweite der Great Observatories der NASA und das Gammastrahlenäquivalent zum Hubble-Weltraumteleskop und zum Chandra-Röntgenobservatorium. Compton wurde im April 1991 an Bord des Space Shuttles Atlantis gestartet und war mit 17 Tonnen die größte astrophysikalische Nutzlast, die jemals zu dieser Zeit geflogen wurde. Am Ende seiner Pioniermission wurde Compton desorbiert und trat am 4. Juni 2000 wieder in die Erdatmosphäre ein.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
