Mgławica Krab właśnie wysadziła Ziemię fotonami o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek zarejestrowano

Mgławica Krab NASA

Wyżyna Tybetańska to rozległa równina wzniesiona prawie pięć kilometrów nad poziomem morza, czasami nazywana Dachem Świata. Graniczy od południa z najwyższym pasmem górskim na świecie, a od północy z pustynnymi terenami. To jedno z najbardziej odizolowanych miejsc na Ziemi.

Ale ekstremalna wysokość sprawia, że ​​jest to przydatne miejsce dla naukowców. W 1990 roku zbudowali tutaj obserwatorium, aby badać deszcze cząstek subatomowych, które spływają z górnych warstw atmosfery po uderzeniu w nie wysokoenergetycznego promienia kosmicznego. Ta praca jest lepiej wykonywana na dużych wysokościach, ponieważ jest mniej atmosfery do pochłaniania cząstek.

Od tego czasu tak zwany Tybetański Układ Pryszniców Powietrza zarejestrował ogromną liczbę wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, cząstek przyspieszonych do ogromnych energii przez zjawiska astrofizyczne, takie jak supernowe, aktywne jądra galaktyk i tajemnicze, jeszcze niezidentyfikowane źródła.

Ale macierz wychwytuje również pęki powietrza spowodowane przez inne źródło – fotony o wysokiej energii. Te tajemnicze fotony są również tworzone przez zjawiska astrofizyczne, takie jak interakcja między wysokoenergetycznymi cząsteczkami a kosmicznym mikrofalowym tłem. W konsekwencji mogą zapewnić unikalny wgląd w te procesy i środowiska, w których one występują.

Na przestrzeni lat Tybetański Układ Pryszniców Powietrznych wykrył wiele takich fotonów o energiach dochodzących do kilkudziesięciu teraelektronowoltów (TeV 1012). To mniej więcej odpowiednik fotonów o najwyższej energii, jakie można wytworzyć na Ziemi. Ale nikt nigdy nie zaobserwował mocniejszych fotonów.

Do teraz. Dziś naukowcy z Tibet Air Shower Gamma Collaboration twierdzą, że po raz pierwszy zaobserwowali fotony o energiach powyżej 100 TeV, w tym niezwykły foton o energii prawie 500 TeV. Ten pojedynczy foton ma mniej więcej taką samą energię jak spadająca piłka pingpongowa i jest fotonem o najwyższej energii, jaki kiedykolwiek zarejestrowano.

Współpraca pozwoliła również ustalić, skąd pochodzą te fotony: z Mgławicy Krab, pozostałości po supernowej, którą po raz pierwszy zaobserwowano w 1054 r. w Ramieniu Perseusza Drogi Mlecznej, około 6500 lat świetlnych od Ziemi.

W centrum tej mgławicy znajduje się pulsar, gwiazda neutronowa wirująca z prędkością 30 razy na sekundę i emitująca impulsy elektromagnetyczne o szerokim zakresie częstotliwości. Chociaż Mgławica Krab nie jest widoczna gołym okiem — ma mniej więcej taką samą jasność jak Tytan, księżyc Saturna — jest ona najjaśniejszym źródłem na nocnym niebie promieni rentgenowskich i gamma o energiach powyżej 30 keV.

To sprawia, że ​​jest to bardzo interesujące dla astronomów. Jednym z pytań, które ich fascynuje, jest to, jak energetyczne mogą stać się te fotony i jaki rozkład energii fotonów mówi im o warunkach wewnątrz mgławicy.

Uważa się, że fotony tej energii powstają w procesie znanym jako odwrotne rozpraszanie Comptona. Dzieje się tak, gdy wysokoenergetyczna cząstka przekazuje swoją energię fotonowi. W przypadku Mgławicy Krab wysokoenergetyczne cząstki to prawdopodobnie elektrony i protony przyspieszane przez fale uderzeniowe w potężnych polach magnetycznych otaczających pulsar. Daje im to energię w zakresie subpetaelektronowoltów (1015).

Dla porównania, Wielki Zderzacz Hadronów, najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek, ma energię zderzenia 14 TeV.

Cząstki te następnie przekazują swoją energię fotonom pozostałym po Wielkim Wybuchu, zwanym kosmicznym mikrofalowym tłem, dając im setki TeV. Są to fotony wykrywane przez Tibet Air Shower Array. Mówią, że jest to pierwsze wykrycie fotonów o najwyższej energii powyżej 100 TeV ze źródła astrofizycznego, a tym samym otwiera okno sub-peV w astronomii.

To pokazuje dokładnie, jakie warunki muszą istnieć wewnątrz mgławicy. W szczególności ujawnia wielkość fal uderzeniowych przechodzących przez pole magnetyczne. A to z kolei rzuca trochę światła na procesy, które muszą generować te fale uderzeniowe.

Różne teorie przewidują ograniczenie energii, jaką fotony mogą w ten sposób uzyskać. Ale współpraca z Tybetem jak dotąd nie znalazła tego śladu. Możliwe, że w ten sposób powstają fotony o eksaelektronowoltach (1018). W takim przypadku pojedynczy foton miałby energię pocisku z wiatrówki. W 1991 roku fizycy zmierzyli promień kosmiczny o energii 300 EeV, tak zwaną cząstkę Oh-My-God, cząstkę o najwyższej energii, jaką kiedykolwiek zarejestrowano.

Ale najpierw potrzebne będą dalsze dowody ze współpracy Tybetańczyków i innych grup, aby pomóc dopracować astrofizyczne teorie na temat tego, co dokładnie dzieje się w tych najbardziej ekstremalnych środowiskach we wszechświecie.

Nr ref.: https://arxiv.org/abs/1906.05521 : Pierwsze wykrycie fotonów o energii powyżej 100 TeV ze źródła astrofizycznego

ukryć