Gammaflitsen van verre sterren, zoals weergegeven in de illustratie van deze kunstenaar, zijn een mogelijke bron van de ultrakrachtige "OMG-deeltjes" die af en toe de detectoren van wetenschappers op aarde raken.
(Afbeelding: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper aan het COSI science center. Sutter is ook gastheer van "Ask a Spaceman" en "Space Radio" en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Op het moment dat u deze tekst leest, wordt uw DNA door kleine, onzichtbare kogels doorgesneden. De schadehandelaars staan bekend als kosmische stralen, ook al zijn het absoluut geen stralen - maar de naam is voortgekomen uit een historisch misverstand. In plaats daarvan zijn het deeltjes: meestal elektronen en protonen, maar af en toe zwaardere dingen zoals helium of zelfs ijzeren kernen.
Deze kosmische deeltjes zijn problemen, omdat a) ze snel zijn en dus veel kinetische energie hebben om rond te gooien en b) ze elektrisch geladen zijn. Dit betekent dat ze onze arme DNA-nucleotiden kunnen ioniseren, ze uit elkaar kunnen scheuren en af en toe kunnen leiden tot oncontroleerbare replicatiefouten (ook bekend als kanker). ['Superstar' Eta Carinae gedraagt zich als een gigantisch Cosmic-Ray Gun, maar waarom?]
Alsof dit nog niet erg genoeg was, komt er af en toe, ongeveer eens per vierkante kilometer per jaar, een monsterlijk monster in onze bovenste atmosfeer schreeuwen, tegen een ongelukkig stikstof- of zuurstofmolecuul aan stoten en in een regen van lagere energie (maar nog steeds dodelijk natuurlijk) secundaire deeltjes.
Er is maar één passend antwoord wanneer het wordt geconfronteerd met een deeltje met zo'n belachelijk potentieel: "OMG."
Fastballs
"OMG" was de bijnaam die werd gegeven aan het eerste voorbeeld van wat nu bekend staat als ultra-hoogenergetische kosmische straling, die in 1991 werd gedetecteerd door de Fly's Eye-kosmische straaldetector van de Universiteit van Utah. Dat ene proton sloeg in onze atmosfeer en ging ongeveer 99,999999999999999999999951 procent van de lichtsnelheid. En nee, al die negens zijn niet alleen voor een dramatisch effect om het nummer er indrukwekkend uit te laten zien - het was echt zo snel. Dit deeltje had dezelfde hoeveelheid kinetische energie als een fatsoenlijk geworpen honkbal ... samengedrukt tot een object ter grootte van een proton.
Dat betekent dat dit deeltje meer dan 10 miljoen keer meer energie had dan wat onze krachtigste deeltjesbotser, de LHC, kan produceren. Als gevolg van relativistische tijdsdilatatie kon het OMG-deeltje met die snelheid in 0,43 milliseconden van de eigen tijd van het deeltje naar onze dichtstbijzijnde buurster, Proxima Centauri, reizen. Het kan doorgaan naar onze galactische kern tegen de tijd dat je deze zin hebt gelezen (vanuit zijn eigen perspectief).
OMG inderdaad.
Sinds de detectie van dat deeltje zijn we door de lucht blijven kijken naar deze extreme gebeurtenissen met behulp van gespecialiseerde telescopen en detectoren over de hele wereld. Alles bij elkaar hebben we de afgelopen decennia ongeveer honderd van de OMG-klasse deeltjes vastgelegd.
Die enkele tientallen voorbeelden verduidelijken en verdiepen zowel de mysteries van hun oorsprong. Meer gegevens zijn altijd goed, maar wat in hemelsnaam is krachtig genoeg om een proton een voldoende goede scheur te geven dat het bijna - bijna - licht kan uitdagen voor een race?
Knokkelballen
Om een geladen deeltje tot waanzinnige snelheden te versnellen, heb je twee belangrijke ingrediënten nodig: veel energie en een magnetisch veld. Het magnetische veld doet het werk om de energieën in je gebeurtenis over te dragen naar het deeltje (bijvoorbeeld de explosieve kinetische energie van een supernova-explosie of de wervelende zwaartekracht als materie naar een zwart gat valt). De gedetailleerde fysica is natuurlijk ongelooflijk ingewikkeld en niet erg goed begrepen. De geboorteplaatsen van kosmische straling zijn vreselijk gecompliceerd en bevinden zich in extreme delen van ons universum, dus een compleet fysiek beeld zal moeilijk te vinden zijn.
Maar we kunnen nog steeds weloverwogen gissingen doen over waar extreme voorbeelden zoals onze vriend het OMG-deeltje vandaan komen. Onze eerste gok is misschien supernova, de titanische dood van massieve sterren. Magnetische velden? Controleren. Veel energie? Controleren. Maar niet genoeg energie om het voor elkaar te krijgen. Je stellaire ontploffing van de tuinvariëteit heeft gewoon niet genoeg rauwe oomph om deeltjes uit te spugen met de snelheden die we overwegen.
Wat is het volgende? Actieve galactische kernen zijn sterke kanshebbers. Deze kernen worden gemaakt terwijl materie naar haar ondergang dwarrelt rond een superzwaar zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel; dat materiaal comprimeert en warmt op en vormt op de laatste momenten een aanwasschijf. Dat draaiende inferno genereert intense magnetische velden door dynamo-acties en vormt het krachtige mengsel van ingrediënten dat nodig is om serieuze paardenkracht toe te voegen aan uitgeworpen deeltjes.
Behalve (en je wist dat er een "behalve" zou komen), zijn de actieve galactische kernen te ver weg om kosmische straling te produceren die de aarde bereikt. Met de belachelijke snelheden van een ultra-hoogenergetische kosmische straal lijkt cruisen door de kosmos meer op het proberen door een sneeuwstorm te ploegen. Dat komt omdat bij die snelheden de kosmische microgolfachtergrond - de vloed van energiezuinige fotonen die over zijn gebleven uit het zeer vroege heelal - in hoge mate verschoven lijkt naar hogere energieën. Dus dat licht met hoge intensiteit riekt en mept tegen de reizende kosmische straal, vertraagt en stopt het uiteindelijk.
We mogen dus niet verwachten dat de krachtigste kosmische straling verder dan honderd miljoen lichtjaar of zo zal reizen - en de meeste actieve galactische kernen zijn veel, veel verder van ons verwijderd dan dat.
Curveballs
Een lange tijd was een hoofdverdachte voor OMG-generatie Centaurus A, een relatief nabijgelegen actieve galactische kern die ergens tussen de 10 miljoen en 16 miljoen lichtjaar verwijderd is. Krachtig, magnetisch en dichtbij - de perfecte combinatie. Maar hoewel sommige onderzoeken hebben gesuggereerd dat kosmische straling uit de algemene richting kan komen, is er nooit een duidelijk genoeg verband geweest om dat sterrenstelsel van verdachte naar veroordeelde te verplaatsen. [Een diepe blik op de vreemde Galaxy Centaurus A]
Een deel van het probleem is dat het eigen magnetische veld van de Melkweg op subtiele wijze het traject van inkomende kosmische straling verandert, waardoor hun oorspronkelijke richtingen worden vermomd. Dus, om de bron van een kosmische straal te reconstrueren, heb je ook modellen nodig voor de sterkte en richtingen van het magnetische veld van onze melkweg - iets waar we niet echt een volledige greep op hebben.
Als de OMG-generator op zichzelf geen Centaurus A is, dan zijn het misschien de Seyfert-sterrenstelsels, een bepaalde galactische subklasse van over het algemeen dichterbij, over het algemeen zwakkere (maar nog steeds waanzinnig heldere en sterke) actieve galactische kernen. Maar nogmaals, met nog geen honderd steekproeven om uit te putten, is het moeilijk om een rigoureuze statistische bepaling te maken.
Misschien zijn het gammaflitsen, waarvan men denkt dat ze voortkomen uit het eigenaardige catastrofale einde van enkele van de meest extreme sterren. Maar ons begrip van de fysica van die situatie is (kan je het geloven?) Nogal vaag.
Misschien is het iets exotischer, zoals topologische defecten vanaf de eerste momenten van de oerknal of een aantal funky interacties binnen donkere materie. Misschien hebben we de natuurkunde verkeerd en zijn onze afstandslimietberekeningen niet nauwkeurig. Misschien, misschien, misschien ...
De ware oorsprong van deze ultra-energetische "OMG" -deeltjes is moeilijk vast te pinnen, en ondanks bijna 30 jaar detectiegeschiedenis hebben we niet veel vaste antwoorden. Dat is prima - het is goed om op zijn minst wat mysteries over te hebben in het universum. Astrofysici kunnen ook wat baanzekerheid gebruiken.
Lees meer door naar de aflevering te luisteren in de podcast "Ask A Spaceman", beschikbaar op iTunes en op internet op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan hchrissscottt voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen. Volg ons @Spacedotcom, Facebook en Google+. Origineel artikel op Space.com.
