Helyum çekirdeği araştırması, kozmik ışın kaynağı ve yayılımı anlayışımızı ilerletiyor

Evren ve onun gizemli olayları hakkındaki anlayışımızın çoğu teorik yorumlara dayanmaktadır. Gökbilimciler, uzaktaki nesnelerin ve enerjik olayların anlaşılmasını derinleştirmek için protonlar, elektronlar, atom çekirdeği ve diğer atom altı parçacıklardan oluşan yüksek enerjili yüklü parçacıklar olan kozmik ışınlara bakıyorlar.

Bu tür çalışmalar, kozmik ışınların periyodik tabloda bildiğimiz tüm elementleri içerdiğini ortaya koymuş, bu elementlerin yıldızlardan ve süpernova gibi yüksek enerjili olaylardan kaynaklandığını düşündürmüştür. Ek olarak, yüklü yapıları nedeniyle, kozmik ışınların uzaydaki yolu, yıldızlararası fenomenlerin ve nesnelerin manyetik alanlarından etkilenir.

Kozmik ışınların ayrıntılı gözlemleri bu parçacıkların kökenlerine ışık tutmanın yanı sıra süpernova kalıntıları, atarcalar ve hatta karanlık madde gibi yüksek enerjili nesnelerin ve fenomenlerin varlığının şifresini de çözebilir. Yüksek enerjili radyasyonları daha iyi gözlemlemek amacıyla Japonya, İtalya ve ABD işbirliğiyle 2015 yılında Uluslararası Uzay İstasyonunda CALorimetrik Elektron Teleskobu’nu (CALET) kurdu.

2018’de kozmik ışın proton spektrumunun 50 GeV’den 10 TeV’ye kadar olan gözlemleri, yüksek enerjilerde protonların parçacık akışının beklenenden önemli ölçüde daha yüksek olduğunu ortaya çıkardı. Bu sonuçlar, artan enerjiyle parçacıkların sayısının azaldığı “tek bir güç yasası dağılımı” varsayan geleneksel kozmik ışın ivmesi ve yayılma modellerinden sapmıştır.

Sonuç olarak, 2022’de yayınlanan bir çalışmada, aralarında Waseda Üniversitesi’nden araştırmacıların da yer aldığı CALET ekibi, 50 GeV ila 60 TeV enerji aralığında kozmik ışın protonlarının “Çifte Kırık Güç Yasası”nı izlediğini buldu. Bu yasa, yüksek enerjili parçacıkların sayısının başlangıçta 10 TeV’ye kadar arttığını (spektral sertleşme olarak bilinir) ve ardından enerjideki artışla birlikte azaldığını (spektral yumuşama olarak bilinir) varsayar.

Bu gözlemleri daha da genişleten ekip, 40 GeV’den 250 TeV’ye kadar geniş bir enerji aralığında yakalanan kozmik ışın helyum spektrumunda benzer spektral sertleşme ve yumuşama eğilimleri buldu.

Dergide yayınlanan araştırma Fiziksel İnceleme MektuplarıJaponya’daki Waseda Üniversitesi’nden Doçent Kazuyoshi Kobayashi’nin yanı sıra yine Waseda Üniversitesi’ne bağlı CALET projesinin Baş Araştırmacısı Emeritus Profesör Shoji Torii ve İtalya’daki Siena Üniversitesi’nden Araştırma Görevlisi Paolo Brogi’nin katkılarıyla yürütüldü.

Kobayashi, “CALET, kozmik ışın helyumun enerji spektral yapısını, özellikle yaklaşık 1,3 TeV’den başlayan spektral sertleşmeyi ve yaklaşık 30 TeV’den başlayan yumuşama eğilimini başarıyla gözlemledi” diyor.

Bu gözlemler, CALET tarafından 2015 ile 2022 yılları arasında Uluslararası Uzay İstasyonunda (ISS) toplanan verilere dayanmaktadır. Kozmik helyum çekirdeği parçacıkları için bugüne kadarki en geniş enerji aralığını temsil eden bu gözlemler, parçacık akışının tek güçten sapmasına ilişkin ek kanıtlar sağlar. -hukuk modeli. Araştırmacılar, beklenen kuvvet yasası dağılımından sapmanın, ortalamadan sekiz standart sapmadan daha fazla uzakta olduğunu fark ettiler ve bu, bu sapmanın şans eseri meydana gelme olasılığının çok düşük olduğunu gösteriyor.

Özellikle, bu verilerde gözlemlenen ilk spektral sertleşme, helyum çekirdeklerini hızlandırmaktan ve yüksek enerjilere yaymaktan sorumlu benzersiz kaynaklar veya mekanizmalar olabileceğini düşündürmektedir. Bu spektral özelliklerin keşfi, Karanlık Madde Parçacık Gezgini’nden yapılan son gözlemlerle de destekleniyor ve kozmik ışınların kökeni ve doğası hakkındaki mevcut anlayışımızı sorguluyor.

Torii, “Bu sonuçlar, süpernova kalıntısındaki kozmik ışın ivmesinin ve yayılma mekanizmasının anlaşılmasına önemli ölçüde katkıda bulunacaktır” diyor.

Bu bulgular kuşkusuz evren anlayışımızı geliştiriyor. Ay’a ve Mars’a yapılacak insanlı görevlere hazırlanırken bile, kozmik ışın parçacıklarının enerji dağılımı, uzaydaki radyasyon ortamı ve bunun astronotlar üzerindeki etkileri hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir.