Teleskop Dizisi şimdiye kadarki ikinci en yüksek enerjili kozmik ışını tespit etti

1991 yılında Utah Üniversitesi’nin Sinek Gözü deneyi şimdiye kadar gözlemlenen en yüksek enerjili kozmik ışını tespit etti. Daha sonra Aman Tanrım parçacığı olarak adlandırılan kozmik ışının enerjisi astrofizikçileri şok etti. Galaksimizdeki hiçbir şeyin onu üretecek gücü yoktu ve parçacık, diğer galaksilerden Dünya’ya gelen kozmik ışınlar için teorik olarak mümkün olandan daha fazla enerjiye sahipti. Basitçe söylemek gerekirse, parçacığın var olmaması gerekir.

Teleskop Dizisi o zamandan beri 30’dan fazla ultra yüksek enerjili kozmik ışın gözlemledi, ancak hiçbiri Aman Tanrım düzeyindeki enerjiye yaklaşmadı. Henüz hiçbir gözlem bunların kökenini ya da Dünya’ya nasıl seyahat edebildiklerini ortaya koymadı.

27 Mayıs 2021’de Teleskop Dizisi deneyi, ikinci en yüksek aşırı enerjili kozmik ışını tespit etti. 2,4 x 10’da²⁰eV, bu tek atom altı parçacığın enerjisi bel hizasından ayak parmağınıza bir tuğla düşürmeye eşdeğerdir. Utah Üniversitesi (U) ve Tokyo Üniversitesi tarafından yürütülen deneyde, 700 km’yi kapsayan kare bir ızgarada düzenlenmiş 507 yüzey dedektör istasyonundan oluşan Teleskop Dizisi kullanıldı.² (~270 mil²) Delta, Utah’ın dışında, eyaletin Batı Çölü’nde.

Olay, Teleskop Dizisinin kuzeybatı bölgesindeki 23 dedektörü tetikleyerek 48 km’lik alana sıçradı.² (28,5 mil²). Varış yönü, Samanyolu galaksisini çevreleyen boş bir uzay alanı olan Yerel Boşluktan geliyor gibi görünüyordu.

Telescope Array eşsözcüsü John Matthews, “Parçacıklar o kadar yüksek enerjiye sahip ki, galaktik ve galaktik dışı manyetik alanlardan etkilenmemeleri gerekiyor. Gökyüzünde nereden geldiklerini gösterebilmelisiniz” dedi. U ve çalışmanın ortak yazarı. “Fakat Aman Tanrım parçacığı ve bu yeni parçacık durumunda, onun kaynağına kadar olan yolunu izlersiniz ve onu üretecek kadar yüksek enerjiye sahip hiçbir şey yoktur. İşin gizemi de bu; neler oluyor?”

Onların gözleminde yayınlanan dergide BilimAraştırmacılardan oluşan uluslararası bir işbirliği, ultra yüksek enerjili kozmik ışını tanımlıyor, özelliklerini değerlendiriyor ve nadir olayların bilim tarafından bilinmeyen parçacık fiziğini takip edebileceği sonucuna varıyor.

Araştırmacılar buna Japon mitolojisindeki güneş tanrıçasından esinlenerek Amaterasu parçacığı adını verdiler. Amaterasu parçacıkları farklı gözlem teknikleri kullanılarak tespit edildi; bu, nadir de olsa bu ultra yüksek enerji olaylarının gerçek olduğunu doğruladı.

ABD’de profesör ve çalışmanın ortak yazarı John Belz, “Bu olaylar gökyüzünün tamamen farklı yerlerinden geliyor gibi görünüyor. Tek bir gizemli kaynak yok” dedi. “Uzay-zamanın yapısındaki kusurlar, çarpışan kozmik sicimler olabilir. Yani, geleneksel bir açıklaması olmadığı için insanların ortaya attığı çılgın fikirleri boşa çıkarıyorum.”

Doğal parçacık hızlandırıcıları

Kozmik ışınlar, maddeyi atom altı yapılarına ayıran ve neredeyse ışık hızıyla evrene fırlatan şiddetli gök olaylarının yankılarıdır. Esasen kozmik ışınlar, uzayda dolaşan ve neredeyse sürekli olarak Dünya’ya yağan, pozitif protonlardan, negatif elektronlardan veya tüm atom çekirdeğinden oluşan geniş bir enerji aralığına sahip yüklü parçacıklardır.

Kozmik ışınlar Dünya’nın üst atmosferine çarparak oksijen ve nitrojen gazı çekirdeğini patlatarak birçok ikincil parçacık oluşturur. Bunlar atmosferde kısa bir mesafe kat eder ve işlemi tekrarlayarak yüzeye saçılan milyarlarca ikincil parçacıktan oluşan bir yağmur oluşturur. Bu ikincil duşun kapladığı alan çok büyüktür ve dedektörlerin Teleskop Dizisi kadar geniş bir alanı kapsamasını gerektirir. Yüzey dedektörleri, araştırmacılara her bir kozmik ışın hakkında bilgi veren bir dizi enstrümantasyondan yararlanıyor; sinyalin zamanlaması onun yörüngesini gösterir ve her bir dedektöre çarpan yüklü parçacıkların miktarı birincil parçacığın enerjisini ortaya çıkarır.

Parçacıkların bir yükü olduğundan uçuş yolları, kozmik mikrodalga arka planı boyunca elektromanyetik alanlara karşı zikzak çizerken tilt makinesindeki bir topa benzer. Enerji spektrumunun alt ve orta uçlarında yer alan kozmik ışınların çoğunun yörüngesini izlemek neredeyse imkansızdır. Yüksek enerjili kozmik ışınlar bile mikrodalga arka planı tarafından bozulur. Amaterasu enerjisi ve Amaterasu enerjisine sahip parçacıklar galaksiler arası uzayda nispeten bükülmeden patlar. Yalnızca en güçlü göksel olaylar bunları üretebilir.

Matthews, “İnsanların süpernova gibi enerjik olduğunu düşündüğü şeyler bunun için yeterince enerjik değildir. Parçacığı hızlandırırken onu sınırlamak için çok büyük miktarda enerjiye, gerçekten yüksek manyetik alanlara ihtiyacınız var” dedi.

Ultra yüksek enerjili kozmik ışınlar 5 x 10’u geçmelidir¹⁹ eV. Bu, tek bir atom altı parçacığın, büyük ligdeki bir atıcının hızlı topuyla aynı kinetik enerjiyi taşıdığı ve herhangi bir insan yapımı parçacık hızlandırıcının başarabileceğinden on milyonlarca kat daha fazla enerjiye sahip olduğu anlamına gelir.

Astrofizikçiler, Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) sınırı olarak bilinen bu teorik sınırı, bir protonun, mikrodalga arka plan radyasyonunun etkileşimlerinin etkisi enerjilerini almadan önce uzun mesafeler boyunca seyahat ederken tutabileceği maksimum enerji olarak hesapladılar.

Aktif galaktik çekirdekler veya parçacık jetleri yayan birikim disklerine sahip kara delikler gibi bilinen kaynak adayları, Dünya’dan 160 milyon ışıkyılı uzaklıkta olma eğilimindedir. Yeni parçacık 2,4 x 10²⁰ eV ve Aman Tanrım parçacığının 3,2 x 10²⁰ eV kolayca sınırı aşabilir.

Araştırmacılar ayrıca kökenlerine dair ipuçları bulmak için kozmik ışın bileşimini de analiz ediyorlar. Demir çekirdeği gibi daha ağır bir parçacık, hidrojen atomundan gelen protonlardan oluşan daha hafif bir parçacıktan daha ağırdır, daha fazla yüke sahiptir ve manyetik alanda bükülmeye daha duyarlıdır. Yeni parçacık muhtemelen bir protondur. Parçacık fiziği, GZK sınırının ötesinde enerjiye sahip bir kozmik ışının, mikrodalga arka planın yolunu bozamayacak kadar güçlü olduğunu, ancak yörüngesini boş uzaya doğru geriye doğru takip ettiğini belirtir.

“Belki manyetik alanlar düşündüğümüzden daha güçlüdür, ancak bu durum onların bu 10 noktada önemli bir eğrilik oluşturacak kadar güçlü olmadıklarını gösteren diğer gözlemlerle çelişmektedir.”²⁰ Belz, “elektron volt enerjileri” dedi. “Bu gerçek bir gizem.”

Ayak izini genişletme

Teleskop Dizisi, ultra yüksek enerjili kozmik ışınları tespit edecek şekilde benzersiz bir konuma sahiptir. Yaklaşık 1.200 m’de (4.000 ft), ikincil parçacıkların maksimum gelişimine izin veren ancak çürümeye başlamadan önce tatlı nokta yüksekliğinde bulunur. Utah’ın Batı Çölü’ndeki konumu iki şekilde ideal atmosferik koşullar sağlar: Kuru hava çok önemlidir çünkü nem, tespit için gerekli olan ultraviyole ışığı emer; Işık kirliliği çok fazla gürültü yaratacağından ve kozmik ışınları engelleyeceğinden bölgenin karanlık gökyüzü önemlidir.

Astrofizikçiler hâlâ gizemli olaylar karşısında şaşkına dönüyor. Telescope Array, davanın çözülmesine yardımcı olacağını umdukları bir genişleme sürecinin ortasında. Tamamlandığında, 500 yeni sintilatör dedektörü Teleskop Dizisini genişletecek ve 2.900 km boyunca kozmik ışın kaynaklı parçacık yağmurlarını örnekleyecek.² (1.100 mil² ), neredeyse Rhode Island büyüklüğünde bir alan. Daha büyük ayak izinin, olup bitenlere ışık tutacak daha fazla olayı yakalayacağını umuyoruz.