Astronomi scioccati dai misteriosi raggi cosmici ad altissima energia: “Che diavolo sta succedendo?”

Seconda solo alla particella Oh-My-God, la nuova particella Amaterasu approfondisce il mistero dell’origine, della propagazione e della fisica delle particelle dei rari raggi cosmici ad altissima energia.

Nel 1991, l’esperimento Fly’s Eye dell’Università dello Utah ha rivelato i raggi cosmici con la più alta energia mai osservati. Successivamente soprannominata la particella Oh My God, l’energia dei raggi cosmici ha scioccato gli astrofisici. Niente nella nostra galassia aveva la capacità di produrlo, e la particella aveva più energia di quanto fosse teoricamente possibile per i raggi cosmici che viaggiavano verso la Terra da altre galassie. In poche parole, la particella non dovrebbe essere lì.

Puzzle astronomici

Da allora il sistema del telescopio ha rilevato più di 30 raggi cosmici ad alta energia, sebbene nessuno si avvicinasse al livello energetico. Nessuna osservazione ha ancora rivelato la loro origine o come siano riusciti a viaggiare sulla Terra.

Illustrazione artistica dei raggi cosmici altamente energetici osservati dalla serie di rilevatori di superficie dell’Array Telescope, chiamati particelle Amaterasu. Fonte: Università metropolitana di Osaka/L-Insight, Università di Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

Il 27 maggio 2021, l’esperimento Telescope Array ha rilevato il secondo raggio cosmico con la più alta energia. Dimensioni 2,4×10²⁰Volt, l’energia di questa singola particella subatomica equivale a far cadere un sasso sul piede dall’altezza della vita. La rete di telescopi, guidata dall’Università dello Utah (U) e dall’Università di Tokyo, è composta da 507 stazioni di rilevamento della superficie disposte in una griglia quadrata che copre 700 km² (~270 miglia²) fuori Delta, Utah, nel deserto occidentale dello stato. Questo evento ha attivato 23 rilevatori nella regione nord-occidentale del sistema del telescopio, sparsi su una distanza di 48 km.² (18,5 miglia²). Sembra che la sua direzione di arrivo provenisse dal vuoto locale, una regione vuota di spazio adiacente via Lattea galassia.

“Le particelle hanno un’energia molto elevata e non dovrebbero essere influenzate dai campi magnetici galattici ed extragalattici. Dovrebbero essere in grado di indicare da dove provengono nel cielo”, ha detto John Matthews, portavoce del Telescope Array presso l’Università di New York. California e coautore dello studio. Ma nel caso della particella Oh My God e di questa nuova particella, è possibile risalire alla sua fonte e non c’è nulla di abbastanza energetico per produrla. Questo è il segreto: che diavolo sta succedendo?

Particella di Amaterasu

Nella loro nota pubblicata il 24 novembre 2023 sulla rivista Scienze, una collaborazione internazionale di ricercatori ha descritto i raggi cosmici ad altissima energia, valutato le loro proprietà e concluso che fenomeni rari potrebbero seguire la fisica delle particelle sconosciuta alla scienza. I ricercatori l’hanno chiamata particella Amaterasu, dal nome della dea del sole nella mitologia giapponese. Le particelle Oh-My-God e Amaterasu sono state scoperte utilizzando diverse tecniche di osservazione, confermando che questi eventi ad altissima energia, sebbene rari, sono reali.

Illustrazione artistica dell’astronomia dei raggi cosmici ultraenergetici per illustrare fenomeni altamente energetici in contrasto con i raggi cosmici più deboli influenzati dai campi elettromagnetici. Fonte: Università metropolitana di Osaka/Università di Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

“Questi eventi sembrano provenire da luoghi completamente diversi nel cielo. Non è come se ci fosse una fonte misteriosa”, ha detto John Bales, professore alla U e coautore dello studio. “Potrebbero essere imperfezioni nella struttura del pianeta”. spazio-tempo, collisioni di stringhe cosmiche. Voglio dire, sto solo parlando delle idee folli che le persone inventano perché non esiste una spiegazione convenzionale.

Acceleratori di particelle naturali

I raggi cosmici sono echi di violenti eventi celesti che hanno ridotto la materia alla sua struttura subatomica e l’hanno scagliata attraverso l’universo quasi alla velocità della luce. I raggi cosmici sono fondamentalmente particelle cariche con una vasta gamma di energie costituite da protoni positivi, elettroni negativi o interi nuclei atomici che viaggiano attraverso lo spazio e cadono sulla Terra quasi continuamente.

I raggi cosmici colpiscono l’atmosfera superiore della Terra ed esplodono i nuclei di ossigeno e azoto, generando molte particelle secondarie. Queste particelle percorrono una breve distanza nell’atmosfera e ripetono il processo, creando una pioggia di miliardi di particelle secondarie che si disperdono sulla superficie. L’area di questo sciame secondario è enorme e richiede che i rilevatori coprano un’area grande quanto una schiera di telescopi. I rilevatori di superficie utilizzano una combinazione di dispositivi che forniscono ai ricercatori informazioni su ciascun raggio cosmico; La tempistica del segnale mostra il suo percorso e la quantità di particelle cariche che colpiscono ciascun rilevatore rivela l’energia della particella elementare.

Poiché le particelle hanno una carica, la loro traiettoria di volo assomiglia a una pallina in un flipper mentre zigzaga contro i campi elettromagnetici attraverso lo sfondo cosmico delle microonde. È quasi impossibile tracciare il percorso della maggior parte dei raggi cosmici, che si trovano nella fascia medio-bassa dello spettro energetico. Anche i raggi cosmici ad alta energia vengono distorti dal fondo delle microonde. Le particelle contenenti l’energia di Oh-My-God e Amaterasu esplodono nello spazio intergalattico in una forma relativamente incurvata. Solo gli eventi celesti più potenti possono produrli.

“Le cose che la gente pensa siano attive, come le supernove, non sono neanche lontanamente abbastanza energetiche per farlo. Abbiamo bisogno di enormi quantità di energia e di campi magnetici molto elevati per confinare la particella mentre accelera”, ha detto Matthews.

Il segreto dei raggi cosmici ultraenergetici

I raggi cosmici ad alta energia devono superare 5 x 10¹⁹ Volt. Ciò significa che una singola particella subatomica trasporta la stessa energia cinetica della palla veloce di un grande difensore e ha decine di milioni di volte più energia di quella che qualsiasi acceleratore di particelle artificiale potrebbe ottenere. Gli astrofisici hanno calcolato questo limite teorico, noto come limite Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK), come la quantità massima di energia che un protone può trasportare mentre viaggia per lunghe distanze prima che le interazioni della radiazione di fondo a microonde gli sottraggano energia. Le sorgenti candidate conosciute, come i nuclei galattici attivi o i buchi neri con dischi di accrescimento che emettono getti di particelle, tendono a trovarsi a più di 160 milioni di anni luce dalla Terra. La nuova particella è 2,4×10²⁰ Un volt e una particella, oh mio, 3,2 x 10²⁰ Il volt supera facilmente il limite.

I ricercatori stanno anche analizzando la composizione dei raggi cosmici per trovare indizi sulla loro origine. Le particelle più pesanti, come i nuclei di ferro, sono più pesanti, hanno una carica maggiore e hanno maggiori probabilità di piegarsi in un campo magnetico rispetto alle particelle più leggere costituite da protoni di idrogeno. mais. È probabile che la nuova particella sia un protone. La fisica delle particelle impone che un raggio cosmico con energia superiore al limite GZK è così forte che il fondo a microonde non può distorcere il suo percorso, ma traccia i suoi punti di percorso nello spazio vuoto.

“I campi magnetici potrebbero essere più forti di quanto pensassimo, ma ciò non è coerente con altre osservazioni che mostrano che non sono abbastanza forti da produrre una curvatura significativa a energie comprese tra 10 e 20 MeV”, ha detto Bales. “È un vero mistero.”

Espandi la ricerca e l’array del telescopio

IL Matrice del telescopio È posizionato in modo univoco per rilevare raggi cosmici ad altissima energia. Si trova ad un’altitudine di circa 1.200 metri (4.000 piedi), il punto di elevazione ideale che consente alle particelle secondarie di svilupparsi al massimo, ma prima che inizino a decadere. La sua posizione nel deserto occidentale dello Utah offre condizioni meteorologiche ideali in due modi: l’aria secca è fondamentale perché l’umidità assorbirà la luce ultravioletta necessaria per il rilevamento; I cieli bui sono necessari, perché l’inquinamento luminoso creerà molto rumore e bloccherà i raggi cosmici.

Gli astrofisici sono ancora perplessi di fronte a questo misterioso fenomeno. La serie di telescopi è nel mezzo di un processo di espansione che sperano possa aiutare a risolvere questo problema. Una volta completati, 500 nuovi rilevatori scintillanti espanderanno la schiera del telescopio e campionieranno sciami di particelle generate dai raggi cosmici lungo 2.900 chilometri.² (1100 miglia² ), un’area grande all’incirca quanto lo stato del Rhode Island. Si spera che l’impronta più ampia catturi più eventi che faranno luce su ciò che sta accadendo.

Per ulteriori informazioni su questa scoperta:

Riferimento: “Un raggio cosmico estremamente energetico rilevato da un sistema di rilevatori di superficie” 23 novembre 2023, Scienze.
doi: 10.1126/science.abo5095