Przy pomocy Telescope Array naukowcy wykryli ultrawysokoenergeryczną cząstkę promieniowania kosmicznego. To druga najbardziej energetyczna cząstka promieniowania kosmicznego, jaką kiedykolwiek wykryto. Naukowcy nazwali ją Amaterasu, na cześć japońskiej bogini Słońca. Jednak nie wiedzą, co mogło być jej źródłem.
Ultrawysokoenergetyczną cząstkę zaobserwowano w promieniowaniu kosmicznym, które uderzyło w atmosferę 27 maja 2021 roku, zasypując detektor Telescope Array cząstkami wtórnymi. Obserwatorium to składa się z 507 powierzchniowych detektorów rozmieszczonych na obszarze 700 km2 w stanie Utah w USA. Amaterasu miała ponad 240 eksa-elektronowoltów energii i ustępuje pod tym względem jedynie strumieniowi promieniowania kosmicznego zarejestrowanemu w 1991 roku, w którym odkryto cząstką Oh My God (O mój Boże) mającą 340 eksa-elektronowoltów energii (EeV).
Wyniki obserwacji ukazały się na łamach pisma „Science” (DOI: 10.1126/science.abo5095).
Od czasu zarejestrowania cząstki Oh My God zaobserwowano ponad 30 strumieni o ultrawysokiej energii pochodzących z kosmosu, choć żaden nie osiągnął tego poziomu energii. Sama detekcja z 1991 roku zszokowała astrofizyków. Cząstka miała więcej energii, niż teoretycznie było to możliwe dla promieni kosmicznych docierających do Ziemi z innych galaktyk. Naukowcy nie potrafili powiedzieć, co było jej źródłem. Zresztą nadal nie potrafią. Krótko mówiąc, cząstka nie powinna istnieć. A jednak ją zarejestrowano.
Promienie kosmiczne to echa gwałtownych wydarzeń w kosmosie, które rozebrały materię do jej struktur subatomowych i rzuciły ją przez Wszechświat z prędkością bliską prędkości światła. To nic innego jak cząstki o szerokim zakresie energii składające się z dodatnich protonów, ujemnych elektronów lub całych jąder atomowych, które podróżują przez przestrzeń kosmiczną i niemal bez przerwy uderzają w Ziemię. Te o niezwykle wysokiej energii są wyjątkowo rzadkie. Niosą ze sobą miliony razy więcej energii, niż udaje się osiągnąć przez najpotężniejsze akceleratory cząstek stworzone przez człowieka.
Toshihiro Fujii, astronom z Osaka Metropolitan University w Japonii, natknął się na Amaterasu podczas rutynowej kontroli danych zebranych przez Telescope Array. Sygnały sugerowały, że detektory zostały zasypane czymś superenergetycznym. - Kiedy po raz pierwszy odkryłem ten ultrawysokoenergetyczny promień kosmiczny, pomyślałem, że zaszła pomyłka, ponieważ pokazał on poziom energii niespotykany w ciągu ostatnich trzech dekad – powiedział profesor Fujii. Ale pomiar okazał się prawidłowy.
Fujii i jego zespół próbowali zlokalizować źródło tego energetycznego impulsu, ale im się nie udało. Promienie kosmiczne o ultrawysokiej energii zwykle przemieszczają się w przestrzeni stosunkowo gładko. Pola magnetyczne nie wpływają na nie tak mocno, jak na te o niższych poziomach energii. To powinno ułatwić wskazanie gwiezdnej eksplozji, czarnej dziury lub galaktyki, z której pochodził impuls.
Obliczenia wskazały, że źródło strumienia energii znajduje się w Pustce Lokalnej. To stosunkowo pusty obszaru przestrzeni kosmicznej graniczący z Drogą Mleczną, rozciągający się na około od 30 do 150 milionów lat świetlnych.
- Cząstki te mają tak wysoką energię, że galaktyczne i pozagalaktyczne pola magnetyczne nie powinny na nie oddziaływać. Dlatego powinno być łatwo wskazać, skąd pochodzą – powiedział John Matthews z University of Utah, współautor badania. - Ale w przypadku cząstki O mój Boże oraz tej nowej cząstki, śledzi się jej trajektorię do źródła, a tam nie ma nic, co mogłoby ją 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 – dodał.
- 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 z University of Utah, współautor badania. - Mogą to być chociażby defekty w strukturze czasoprzestrzeni. Wpadamy na różne szalone pomysły, bo nie ma konwencjonalnego wyjaśnienia – dodał.
Jednym z wyjaśnień może być to, że modele szacujące wpływ pól magnetycznych na przebieg promieni kosmicznych są nieprawidłowe i mogą wymagać pewnych poprawek. W takim przypadku możliwe jest, że Amaterasu przybyła z innego kierunku, niż sugerują obliczenia zespołu. - Uważamy, że mamy dobre szacunki, ale być może się mylimy – powiedział Clancy James, astronom z Curtin University w Perth w Australii.
Jest jeszcze jedno wyjaśnienie. Zespół badaczy opisał ultrawysokoenergetyczny promień kosmiczny, ocenił jego charakterystykę i doszedł do wniosku, że te rzadkie zjawiska mogą wynikać z nieznanej nauce fizyki cząstek elementarnych. Innymi słowy, promienie kosmiczne o ultrawysokiej energii mogą powstawać w wyniku nieznanych procesów fizycznych. Te z kolei mogą umożliwić im przemieszczanie się na znacznie większe odległości, niż wcześniej sądzono.
- To może być nowa fizyka – zaznaczył Bellido Caceres z Obserwatorium Pierre Auger w Malargüe w Argentynie. Dodał jednocześnie, że promienie kosmiczne stanowią poligon doświadczalny do badania interakcji cząstek przy ekstremalnych energiach, których nie mogą wytworzyć akceleratory na Ziemi.
- Nie zidentyfikowano żadnego obiecującego obiektu astronomicznego odpowiadającego kierunkowi, z którego przybył promień kosmiczny, co sugeruje możliwość istnienia nieznanych zjawisk astronomicznych i nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy – podkreślił profesor Fujii.
Źródło: Osaka Metropolitan University, University of Utah, Nature, fot. Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige
