Gökbilimciler kozmik elektronları bugüne kadarki en yüksek enerjilerde ölçüyorlar

Namibya’daki HESS işbirliğinin beş teleskopu kozmik radyasyonu, özellikle de gama radyasyonunu incelemek için kullanılıyor. 10 yıllık gözlemlerden elde edilen verilerle, araştırmacılar artık 10 tera-elektronvolttan daha yüksek, benzeri görülmemiş bir enerjiye sahip kozmik elektronları ve pozitronları tespit edebildiler.

Yüklü parçacıklar kozmik mahallemizdeki manyetik alanlar tarafından her yöne saptırıldığı için bunların kökenlerini belirlemek zordur. Ancak bu sefer, ölçülen parçacık enerji spektrumunun en yüksek enerji değerlerine kadar olan olağanüstü kalitesi yeni olasılıkların önünü açıyor: Bilim insanları, kaynağın birkaç bin ışık yılından daha uzak olmayan bir pulsar olabileceğinden şüpheleniyorlar. .

Evren, en soğuk sıcaklıklardan en enerjik kaynaklara kadar aşırı ortamlara ev sahipliği yapıyor. Süpernova kalıntıları, pulsarlar veya aktif galaktik çekirdekler gibi aşırı nesneler, yıldızlardaki nükleer füzyon gibi termal süreçlerde ulaşılan enerjilerin çok üzerinde enerjiye sahip yüklü parçacıklar ve gama radyasyonu üretir.

Yayılan gama ışınları uzayı rahatsız edilmeden geçerken, yüklü parçacıklar (veya kozmik ışınlar) evrendeki her yerde mevcut olan manyetik alanlar tarafından saptırılır ve her yönden izotropik olarak Dünya’ya ulaşır. Bu, araştırmacıların radyasyonun kaynağını doğrudan çıkaramayacağı anlamına geliyor.

Ayrıca yüklü parçacıklar ışık ve manyetik alanlarla etkileşime girerek enerji kaybederler. Bu kayıplar, enerjileri tera-elektronvolt işaretinin üzerinde olan en enerjik elektronlar ve pozitronlar (elektronun pozitif yüklü anti-parçacıkları) için özellikle güçlüdür.

Dünyadaki aletler bu kadar yüksek enerjilerdeki yüklü kozmik parçacıkları ölçtüğünde, bu onların çok uzağa gitmiş olamayacakları anlamına gelir. Bu, güneş sistemimizin yakınında güçlü doğal parçacık hızlandırıcılarının varlığına işaret ediyor.

Spektrumdaki bir bükülme kökeni ortaya koyuyor

Yeni bir analizde, HESS işbirliğindeki bilim insanları ilk kez bu kozmik parçacıkların nereden geldiğini daralttı. Analizin başlangıç ​​noktası kozmik ışınların spektrumunun ölçülmesi, yani ölçülen elektron ve pozitronların enerji dağılımının ölçülmesidir. Analiz, yüksek veri kalitesini garanti eden 10 yıllık gözlemlere dayanmaktadır. Entegre elektron spektrumu birkaç on tera-elektronvolta kadar uzanır.

Kağıt yayınlandı dergide Fiziksel İnceleme Mektupları.

Max Planck Nükleer Enstitüsü’nden Werner Hofmann, “Ölçümlerimiz yalnızca çok önemli ve daha önce keşfedilmemiş bir enerji aralığında veri sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda yerel mahalleye dair anlayışımızı da etkiliyor, aynı zamanda muhtemelen önümüzdeki yıllar için de bir referans noktası olmaya devam edecek” diyor. Heidelberg’de fizik.

TeV enerjilerindeki nispeten küçük hata çubuklarıyla karakterize edilen spektrumda, yaklaşık bir tera-elektronvolt düzeyinde belirgin bir bükülme dikkat çekicidir. Bu kırılmanın hem üstünde hem de altında, spektrum başka herhangi bir anormallik olmaksızın bir güç yasasını takip eder.

Galakside başıboş dolaşmak

Hangi astrofiziksel sürecin elektronları bu kadar yüksek enerjilere hızlandırdığını ve bükülmenin kökeninin ne olduğunu bulmak için araştırmacılar bu verileri model tahminleriyle karşılaştırdılar. Kaynak adayları, güçlü manyetik alanlara sahip yıldız kalıntıları olan pulsarlardır. Bazı pulsarlar, çevrelerine yüklü parçacıklardan oluşan bir rüzgâr üfler ve bu rüzgârın manyetik şok cephesi, parçacıkların hızlandığı yer olabilir.

Aynı durum süpernova kalıntılarının şok cepheleri için de geçerlidir. Bilgisayar modelleri, bu şekilde hızlanan elektronların belirli bir enerji dağılımıyla uzaya doğru ilerlediğini göstermektedir. Bu modeller, Samanyolu’nda hareket eden elektronları ve pozitronları takip ediyor ve Samanyolu’ndaki manyetik alanlarla ve ışıkla etkileşime girdiklerinde enerjilerinin nasıl değiştiğini hesaplıyor.

Bu süreçte parçacıklar o kadar çok enerji kaybeder ki orijinal enerji spektrumları bozulur. Son adımda astrofizikçiler, astrofiziksel kaynakların doğası hakkında daha fazla bilgi edinmek için modellerini verilere uydurmaya çalışırlar.

Peki teleskopların ölçtüğü elektronları uzaya hangi nesne fırlattı? Enerjileri bir tera-elektronvoltun altındaki parçacık spektrumu muhtemelen farklı pulsarlardan veya süpernova kalıntılarından gelen elektronlardan ve pozitronlardan oluşur.

Ancak daha yüksek enerjilerde farklı bir tablo ortaya çıkıyor: Enerji spektrumu yaklaşık bir teraelektronvolttan hızla düşüyor. Bu aynı zamanda astronomik kaynaklar tarafından hızlandırılan parçacıkları ve bunların galaktik manyetik alan boyunca yayılmasını inceleyen modellerle de doğrulanmaktadır. Bir tera-elektronvolttaki bu geçiş özellikle belirgin ve son derece keskindir.

Üniversiteden Kathrin Egberts şöyle söylüyor: “Bu önemli bir sonuç; çünkü ölçülen elektronların büyük olasılıkla kendi güneş sistemimizin yakınındaki çok az kaynaktan, maksimum birkaç bin ışıkyılı uzaklıktan geldiği sonucuna varabiliriz.” Potsdam’dan. Bu mesafe Samanyolu’nun büyüklüğüne kıyasla nispeten küçüktür.

Egberts şöyle devam ediyor: “Farklı mesafelerdeki kaynaklar bu karışıklığı önemli ölçüde ortadan kaldıracaktır.”

Hofmann’a göre tek bir pulsar bile yüksek enerjilerdeki elektron spektrumundan sorumlu olabilir. Ancak hangisi olduğu belli değil. Kaynağın çok yakında olması gerektiğinden sadece birkaç pulsar söz konusu oluyor.