Afbeelding tegoed: NASA
Astronomen geloven dat gammastraaluitbarstingen, de krachtigste explosies in het heelal, ultrahoge energetische kosmische straling kunnen genereren, de meest energetische deeltjes in het heelal. Bewijsmateriaal verzameld door NASA's gedeclassificeerde Compton Gamma-Ray Observatory toonde aan dat in een geval van een gammastraaluitbarsting deze hoogenergetische deeltjes het gebied domineerden en een verbinding tussen hen gaven, maar dit is nauwelijks voldoende bewijs om te zeggen dat ze definitief verbonden zijn .
De krachtigste explosies in het heelal, gammastraaluitbarstingen, kunnen volgens een nieuwe analyse van waarnemingen van NASA's Compton Gamma-Ray Observatory de meest energetische deeltjes in het heelal genereren, bekend als de ultrahoogenergetische kosmische straling (UHECR's).
Onderzoekers rapporteren in de editie van Nature van 14 augustus een nieuw geïdentificeerd patroon in het licht van deze raadselachtige uitbarstingen die kunnen worden verklaard door protonen die bewegen binnen de lichtsnelheid van een haar.
Deze protonen kunnen, net als granaatscherven van een explosie, UHECR's zijn. Dergelijke kosmische straling is zeldzaam en vormt een blijvend mysterie in de astrofysica, die de fysieke verklaring schijnbaar tart, want ze zijn simpelweg veel te energieker om te zijn gegenereerd door bekende mechanismen zoals supernova-explosies.
"Kosmische stralen‘ vergeten ’waar ze vandaan komen omdat ze, in tegenstelling tot licht, door magnetische velden in de ruimte worden rondgeslingerd," zegt hoofdauteur Maria Magdalena Gonzalez van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico en afgestudeerde student aan de Universiteit van Wisconsin. "Dit resultaat is een geweldige kans om mogelijk bewijs te zien dat ze aan de bron worden geproduceerd."
Gammaflitsen - een mysterie dat wetenschappers eindelijk beginnen te ontrafelen - kunnen zo schitterend schijnen als een miljoen biljoen zonnen, en velen kunnen afkomstig zijn van een ongewoon krachtig type exploderende ster. De uitbarstingen komen vaak voor, maar zijn willekeurig en vluchtig en duren slechts enkele seconden.
Kosmische stralen zijn atoomdeeltjes (bijvoorbeeld elektronen, protonen of neutrino's) die dicht bij de lichtsnelheid bewegen. Kosmische straling met lagere energie bombardeert de aarde constant, aangedreven door zonnevlammen en typische sterexplosies. UHECR's, waarbij elk atoomdeeltje de energie draagt van een honkbal dat in de Major Leagues wordt gegooid, zijn honderd miljoen keer energieker dan de deeltjes die worden geproduceerd in de grootste door mensen gemaakte deeltjesversnellers.
Wetenschappers zeggen dat de UHECR's relatief dicht bij de aarde moeten worden opgewekt, want elk deeltje dat verder dan 100 miljoen lichtjaar reist, zou een deel van zijn energie verliezen tegen de tijd dat het ons bereikte. Toch lijkt geen enkele lokale bron van gewone kosmische straling krachtig genoeg om een UHECR te genereren.
Het door Gonzalez geleide papier richt zich niet specifiek op UHECR-productie, maar eerder op een nieuw lichtpatroon dat wordt gezien in een gammastraaluitbarsting. Diep in de Compton Observatory-archieven graven (de missie eindigde in 2000), ontdekte de groep dat een gammastraaluitbarsting uit 1994, genaamd GRB941017, anders lijkt dan de andere 2.700 - sommige uitbarstingen die door dit ruimtevaartuig zijn geregistreerd. Deze uitbarsting bevond zich in de richting van het sterrenbeeld Sagitta, de pijl, waarschijnlijk op tien miljard lichtjaar afstand.
Wat wetenschappers gammastraling noemen, zijn fotonen (lichtdeeltjes) die een breed scala aan energieën bedekken, in feite meer dan een miljoen keer breder dan de energieën die onze ogen registreren als de kleuren in een regenboog. De groep van Gonzalez keek naar de gammastraalfotonen met hogere energie. De wetenschappers ontdekten dat dit soort fotonen de burst domineerde: ze waren gemiddeld minstens drie keer krachtiger dan de energiezuinige component en, verrassend genoeg, duizenden keren krachtiger na ongeveer 100 seconden.
Dat wil zeggen, terwijl de stroom van fotonen met lagere energie die de detectoren van de satelliet raken, begon te verminderen, bleef de stroom van fotonen met hogere energie stabiel. De bevinding strookt niet met het populaire "synchrotron-schokmodel" dat de meeste bursts beschrijft. Dus wat zou deze verrijking van fotonen met een hogere energie kunnen verklaren?
"Een verklaring is dat ultrahoogenergetische kosmische straling verantwoordelijk is, maar hoe ze de gammastralen precies creëren met de energiepatronen die we zagen, vergt veel berekeningen", zegt Dr. Brenda Dingus van LANL, een coauteur van het artikel. "We zullen sommige theoretici bezig houden om dit uit te zoeken."
Een vertraagde injectie van ultrahoge energie-elektronen biedt een andere manier om de onverwacht grote hoogenergetische gammastraalstroom te verklaren die in GRB 941017 wordt waargenomen. Maar deze verklaring zou een herziening van het standaard burst-model vereisen, zei co-auteur Dr. Charles Dermer, een theoretisch astrofysicus bij het US Naval Research Laboratory in Washington. "In beide gevallen onthult dit resultaat een nieuw proces dat optreedt bij gammaflitsen", zei hij.
Uitbarstingen van gammastralen zijn niet gedetecteerd binnen 100 miljoen lichtjaar van de aarde, maar door de aionen kunnen dit soort explosies lokaal zijn opgetreden. Als dat zo was, zei Dingus, dan had het mechanisme dat haar groep in GRB 941017 zag dicht bij huis kunnen worden gedupliceerd, dichtbij genoeg om de UHECR's te leveren die we vandaag zien.
Andere uitbarstingen in het Compton Observatory-archief vertoonden mogelijk een soortgelijk patroon, maar de gegevens zijn niet overtuigend. De Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST) van NASA, gepland voor lancering in 2006, zal detectoren hebben die krachtig genoeg zijn om gammastraalfotonen met hogere energie op te lossen en dit mysterie op te lossen.
Co-auteurs van het Nature-rapport omvatten ook Ph.D. afgestudeerde student Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece en Dr. Michael Briggs van de Universiteit van Alabama in Huntsville. Dit onderzoek werd gefinancierd door NASA en het Office of Naval Research.
UHECR's worden waargenomen wanneer ze in onze atmosfeer botsen, zoals geïllustreerd in de figuur. De energie van de botsing produceert een luchtdouche van miljarden subatomaire deeltjes en flitsen ultraviolet licht, die worden gedetecteerd door speciale instrumenten.
De National Science Foundation en internationale medewerkers hebben ter plaatse instrumenten gesponsord, zoals de High Resolution Fly's Eye in Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) en het Auger Observatory in Argentinië (http: / /www.auger.org/). Bovendien werkt NASA samen met de European Space Agency om de Extreme Universe Space Observatory (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) op het internationale ruimtestation te plaatsen. De voorgestelde OWL-missie zou vanuit de ruimte naar beneden kijken in de richting van luchtdouches en een regio zo groot als Texas bekijken.
Deze wetenschappers registreren de flitsen en maken een telling van de subatomaire granaatscherven, en werken achterwaarts om te berekenen hoeveel energie een enkel deeltje nodig heeft om de atmosferische cascade te maken. Ze komen uit op een schokkend cijfer van 10 ^ 20 elektronvolt (eV) of meer. (Ter vergelijking: de energie in een deeltje van geel licht is 2 eV en de elektronen in je televisieslang bevinden zich in het energiebereik van duizend elektronenvolt.)
Deze ultrahoge energiedeeltjes ervaren de bizarre effecten die worden voorspeld door Einsteins speciale relativiteitstheorie. Als we ze vanuit een uithoek van de kosmos zouden kunnen zien komen, bijvoorbeeld honderd miljoen lichtjaar van ons vandaan, dan zouden we geduld moeten hebben - het zal honderd miljoen jaar duren om de reis te voltooien. Als we echter met de deeltjes zouden kunnen reizen, is de reis in minder dan een dag voorbij vanwege de verwijding van de tijd van snel bewegende objecten zoals gemeten door een waarnemer.
De kosmische straling met de hoogste energie kan ons niet eens bereiken als ze afkomstig is van verre bronnen, omdat ze botsen en energie verliezen met de kosmische microgolffotonen die overblijven van de oerknal. Bronnen van deze kosmische straling moeten relatief dicht bij ons worden gevonden, op een afstand van enkele honderden miljoenen lichtjaren. Sterren die exploderen als gammastraaluitbarstingen worden binnen deze afstand gevonden, dus er worden intensieve observatie-inspanningen uitgevoerd om resten van gammastraaluitbarstingen te vinden die zich onderscheiden door stralingshalo's gemaakt door de kosmische straling.
Er zijn maar weinig soorten hemellichamen die de extreme omstandigheden bezitten die nodig zijn om deeltjes tot UHECR-snelheden te blazen. Als gammastraaluitbarstingen UHECR's produceren, doen ze dat waarschijnlijk door deeltjes te versnellen in stralen materie die door de explosie worden uitgestoten met bijna de lichtsnelheid. Gammaflitsen hebben de kracht om UHECR's te versnellen, maar de tot dusver waargenomen gammaflitsen zijn ver weg, miljarden lichtjaren verwijderd. Dit betekent niet dat ze niet in de buurt kunnen gebeuren, binnen de UHECR-afkapafstand.
Een leidende concurrent voor langlevende soorten gammaflitsen zoals GRB941017 is het supernova / collapsar-model. Supernova's doen zich voor wanneer een ster vele malen zwaarder is dan de zon, waardoor zijn brandstof uitgeput raakt, waardoor zijn kern onder zijn eigen zwaartekracht instort terwijl de buitenste lagen worden weggeblazen in een immense thermonucleaire explosie. Collapsars zijn een speciaal type supernova waarbij de kern zo massief is dat hij instort in een zwart gat, een object dat zo dicht is dat niets, zelfs geen licht, aan zijn zwaartekracht kan ontsnappen binnen de horizon van het zwarte gat. Waarnemingen wijzen er echter op dat zwarte gaten slordige eters zijn, die materiaal uitstoten dat de horizon van hun evenement passeert, maar niet overschrijdt.
In een collapsar vormt de kern van de ster een schijf materiaal rond het nieuw gevormde zwarte gat, als water dat rond een afvoer wervelt. Het zwarte gat verbruikt het grootste deel van de schijf, maar sommige materie wordt in stralen uit de polen van het zwarte gat gestraald. De stralen scheuren door de instortende ster tegen de snelheid van het licht en slaan vervolgens gas door de gedoemde ster. Terwijl de stralen in het interstellaire medium botsen, veroorzaken ze schokgolven en vertragen ze. Interne schokken vormen zich ook in de jets omdat hun voorranden vertragen en van achteren worden dichtgeslagen door een stroom van high-speed materie. De schokken versnellen deeltjes die gammastralen genereren; ze kunnen volgens het team ook deeltjes versnellen tot UHECR-snelheden.
"Het is alsof je een pingpongbal tussen een peddel en een tafel stuitert", zei Dingus. “Als je de peddel dichter naar de tafel beweegt, stuitert de bal steeds sneller. In een gammastraaluitbarsting worden de peddel en de tafel schelpen uitgeworpen in de straal. Turbulente magnetische velden dwingen de deeltjes om tussen de schalen te stuiteren, waardoor ze worden versneld tot bijna de lichtsnelheid voordat ze loskomen als UHECR's. ”
Detectie van neutrino's door gammaflitsen zou het geval zijn voor versnelling van de kosmische straling door gammaflitsen. Neutrino's zijn ongrijpbare deeltjes die worden gemaakt wanneer protonen met een hoge energie botsen met fotonen. Neutrino's hebben geen elektrische lading, dus wijzen nog steeds terug naar de richting van hun bron.
De National Science Foundation bouwt momenteel IceCube (http://icecube.wisc.edu/), een kubieke kilometer detector in het ijs onder de zuidpool, om te zoeken naar neutrino-emissie door gammaflitsen. De kenmerken van de deeltjesversnellers met de hoogste energie van de natuur blijven echter een blijvend mysterie, hoewel de versnelling door de exploderende sterren die gammastraaluitbarstingen veroorzaken, in het voordeel is sinds Mario Vietri (Universita di Roma) en Eli Waxman (Weizmann Institute) het hebben voorgesteld in 1995.
Het team is van mening dat, hoewel andere verklaringen mogelijk zijn voor deze waarneming, het resultaat consistent is met UHECR-versnelling bij gammastraaluitbarstingen. Ze zagen zowel laagenergetische als hoogenergetische gammastralen in de GRB941017-explosie. De laagenergetische gammastralen zijn wat wetenschappers verwachten van snelle elektronen die worden afgebogen door intense magnetische velden, terwijl de hoogenergetische stralen worden verwacht als sommige van de UHECR's die tijdens de burst zijn geproduceerd, tegen andere fotonen botsen, waardoor een regen van deeltjes ontstaat , waarvan sommige knipperen om de hoogenergetische gammastraling te produceren wanneer ze vervallen.
De timing van de gammastraling is ook significant. De laagenergetische gammastralen vervaagden relatief snel, terwijl de hoogenergetische gammastralen bleven hangen. Dit is logisch als twee verschillende klassen deeltjes - elektronen en de protonen van de UHECR's - verantwoordelijk zijn voor de verschillende gammastralen. "Elektronen kunnen veel gemakkelijker dan protonen hun energie uitstralen. Daarom zou de emissie van gammastraling met lage energie door elektronen korter zijn dan de gammastraling met hoge energie van de protonen, ”zei Dingus.
De Compton Gamma Ray Observatory was de tweede van NASA's Great Observatories en de gammastraling equivalent aan de Hubble Space Telescope en de Chandra X-ray Observatory. Compton werd in april 1991 aan boord van de Space Shuttle Atlantis gelanceerd en was met 17 ton de grootste astrofysische lading ooit gevlogen. Aan het einde van zijn baanbrekende missie werd Compton gedeborbeerd en kwam op 4 juni 2000 opnieuw in de atmosfeer van de aarde.
Oorspronkelijke bron: NASA News Release
