W 1991 roku eksperyment Fly’s Eye na Uniwersytecie Utah wykrył promień kosmiczny o najwyższej energii, jaki kiedykolwiek zaobserwowano. Nazwana później cząstką O mój Boże, energia promienia kosmicznego zszokowała astrofizyków. Nic w naszej galaktyce nie było w stanie tego wyprodukować, a cząstka miała więcej energii, niż teoretycznie było to możliwe dla promieni kosmicznych docierających na Ziemię z innych galaktyk. Krótko mówiąc, cząstka nie powinna istnieć.
Od tego czasu Telescope Array zaobserwował ponad 30 promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii, choć żaden nie osiągnął poziomu energii O mój Boże. Żadne obserwacje nie ujawniły jeszcze ich pochodzenia ani sposobu, w jaki mogą podróżować na Ziemię.
27 maja 2021 roku eksperyment Telescope Array wykrył drugi co do wielkości promień kosmiczny o ekstremalnej energii. Energia tej pojedynczej cząstki subatomowej o energii 2,4 x 1020 eV jest równa upuszczeniu cegły na palec u nogi z wysokości pasa. Telescope Array, kierowany przez Uniwersytet Utah (Uniwersytet Utah) i Uniwersytet Tokijski, składa się z 507 stacji detektorów powierzchniowych rozmieszczonych w kwadratowej siatce obejmującej obszar 700 km2 (~270 mil2) poza Deltą w stanie Utah na Pustyni Zachodniej stanu. Zdarzenie uruchomiło 23 detektory w północno-zachodnim obszarze układu teleskopów, rozciągając się na obszarze 48 km2 (18,5 mil2). Wydawało się, że kierunek jej przybycia prowadził z Lokalnej Pustki, pustego obszaru przestrzeni graniczącego z galaktyką Drogi Mlecznej.
„Cząstki mają tak wysoką energię, że galaktyczne i pozagalaktyczne pola magnetyczne nie powinny na nie oddziaływać. Powinieneś być w stanie wskazać na niebie, skąd pochodzą” – powiedział John Matthews, współrzecznik Telescope Array w firmie U i współautorka badania. „Ale w przypadku cząstki O mój Boże i tej nowej cząstki, śledzi się jej trajektorię do źródła i nie ma nic wystarczająco wysokiej energii, aby ją wytworzyć. Na tym polega tajemnica – co się do cholery dzieje? “
W swoich obserwacjach opublikowanych 24 listopada 2023 r. w czasopiśmie Science wyniki międzynarodowej współpracy naukowców opisują ultrawysokoenergetyczny promień kosmiczny, oceniają jego charakterystykę i dochodzą do wniosku, że te rzadkie zjawiska mogą wynikać z nieznanej nauce fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy nazwali ją cząstką Amaterasu na cześć bogini słońca z mitologii japońskiej. Cząsteczki O mój Boże i cząstki Amaterasu wykryto przy użyciu różnych technik obserwacji, co potwierdza, że choć rzadkie, te zdarzenia o ultrawysokiej energii są rzeczywiste.
„Wygląda na to, że te zdarzenia pochodzą z zupełnie innych miejsc na niebie. To nie jest tak, że istnieje jedno tajemnicze źródło” – powiedział John Belz, profesor na Uniwersytecie U i współautor badania. „Mogą to być defekty w strukturze czasoprzestrzeni, zderzające się kosmiczne struny. To znaczy po prostu walczę z szalonymi pomysłami, które ludzie wpadają, bo nie ma konwencjonalnego wyjaśnienia”.
Akceleratory cząstek naturalnych
Promienie kosmiczne to echa gwałtownych wydarzeń na niebie, które rozebrały materię do jej struktur subatomowych i rzuciły ją przez wszechświat z prędkością bliską prędkości światła. Zasadniczo promienie kosmiczne to naładowane cząstki o szerokim zakresie energii, składające się z dodatnich protonów, ujemnych elektronów lub całych jąder atomowych, które podróżują przez przestrzeń i niemal bez przerwy spadają na Ziemię.
Promienie kosmiczne uderzają w górną atmosferę Ziemi i rozbijają jądra tlenu i azotu, tworząc wiele cząstek wtórnych. Pokonują one niewielką odległość w atmosferze i powtarzają proces, tworząc deszcz miliardów cząstek wtórnych, które rozpraszają się na powierzchnię. Zasięg tego wtórnego roju jest ogromny i wymaga, aby detektory pokrywały obszar tak duży jak Układ Teleskopowy. Detektory powierzchniowe wykorzystują zestaw instrumentów, które dostarczają badaczom informacji o każdym promieniu kosmicznym; taktowanie sygnału pokazuje jego trajektorię, a ilość naładowanych cząstek uderzających w każdy detektor ujawnia energię cząstki pierwotnej.
Ponieważ cząstki mają ładunek, ich tor lotu przypomina kulę w flipperze, gdy poruszają się zygzakiem względem pól elektromagnetycznych przechodzących przez kosmiczne mikrofalowe tło. Prawie niemożliwe jest prześledzenie trajektorii większości promieni kosmicznych, które leżą w dolnej i środkowej części widma energii. Nawet wysokoenergetyczne promienie kosmiczne są zniekształcane przez mikrofalowe tło. Cząsteczki zawierające energię O-Mój-Boże i Amaterasuerię przelatują przez przestrzeń międzygalaktyczną w stosunkowo niezgiętej formie. Tylko najpotężniejsze z niebiańskich wydarzeń mogą je wytworzyć.
„Rzeczy, które ludzie uważają za energetyczne, takie jak supernowa, nie są do tego wystarczająco energetyczne. Potrzebne są ogromne ilości energii i naprawdę silne pola magnetyczne, aby uwięzić cząstkę podczas jej przyspieszania” – powiedział Matthews.
Ultrawysokoenergetyczne promienie kosmiczne muszą przekraczać 5 x 1019 eV. Oznacza to, że pojedyncza cząstka subatomowa niesie tę samą energię kinetyczną, co szybka piłka miotacza pierwszej ligi i ma dziesiątki milionów razy więcej energii, niż jest w stanie osiągnąć jakikolwiek akcelerator cząstek stworzony przez człowieka. Astrofizycy obliczyli tę teoretyczną granicę, znaną jako granica Greisena-Zatsepina-Kuzmina (GZK), jako maksymalną energię, jaką proton może utrzymać podczas podróży na duże odległości, zanim efekt interakcji mikrofalowego promieniowania tła odbierze jego energię. Znani kandydaci na źródła, tacy jak aktywne jądra galaktyczne lub czarne dziury z dyskami akrecyjnymi emitującymi strumienie cząstek, zwykle znajdują się w odległości ponad 160 milionów lat świetlnych od Ziemi. 2,4 x 1020 eV nowej cząstki i 3,2 x 1020 eV cząstki O mój Boże z łatwością przekraczają wartość odcięcia.
Naukowcy analizują także skład promieniowania kosmicznego w poszukiwaniu wskazówek na temat jego pochodzenia. Cięższa cząstka, podobnie jak jądra żelaza, jest cięższa, ma większy ładunek i jest bardziej podatna na zginanie w polu magnetycznym niż lżejsza cząstka zbudowana z protonów z atomu wodoru. Nowa cząstka to najprawdopodobniej proton. Fizyka cząstek elementarnych wskazuje, że promień kosmiczny o energii przekraczającej granicę GZK jest zbyt silny, aby mikrofalowe tło mogło zniekształcić jego ścieżkę, ale jego trajektoria podąża wstecz w kierunku pustej przestrzeni.
„Być może pola magnetyczne są silniejsze, niż sądziliśmy, ale to nie zgadza się z innymi obserwacjami, które pokazują, że nie są wystarczająco silne, aby wytworzyć znaczącą krzywiznę przy energiach od dziesięciu do dwudziestych elektronowoltów” – powiedział Belz. „To prawdziwa tajemnica”.
Poszerzenie zasięgu
Układ teleskopów ma wyjątkową pozycję umożliwiającą wykrywanie promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii. Znajduje się na wysokości około 1200 m (4000 stóp), co jest najlepszym punktem wzniesienia, który umożliwia maksymalny rozwój cząstek wtórnych, ale zanim zaczną się rozpadać. Jego położenie na Pustyni Zachodniej w stanie Utah zapewnia idealne warunki atmosferyczne pod dwoma względami: suche powietrze ma kluczowe znaczenie, ponieważ wilgoć pochłania światło ultrafioletowe niezbędne do wykrywania; oraz ciemne niebo nad regionem są niezbędne, ponieważ zanieczyszczenie światłem spowoduje zbyt duży hałas i zasłoni promienie kosmiczne.
Astrofizyków wciąż zadziwiają tajemnicze zjawiska. Telescope Array jest w trakcie rozbudowy, która, jak mają nadzieję, pomoże rozwiązać sprawę. Po ukończeniu 500 nowych detektorów scyntylacyjnych rozbuduje Telescope Array, który będzie badał pęki cząstek indukowane promieniowaniem kosmicznym na obszarze 2900 km2 (1100 mil2), czyli obszarze prawie wielkości Rhode Island. Miejmy nadzieję, że większy ślad pozwoli uchwycić więcej wydarzeń, które rzucą światło na to, co się dzieje.