เครดิตรูปภาพ: NASA
นักดาราศาสตร์เชื่อว่าการปะทุของรังสีแกมม่าซึ่งเป็นการระเบิดที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาลอาจก่อให้เกิดรังสีคอสมิกพลังงานสูงที่สุดซึ่งเป็นอนุภาคที่มีพลังมากที่สุดในจักรวาล หลักฐานที่รวบรวมโดยหอดูดาว Gamma-Ray ที่ไม่มีการโคจรของนาซ่าแสดงให้เห็นว่าในตัวอย่างหนึ่งของการปะทุรังสีแกมม่าอนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ครอบงำพื้นที่ซึ่งให้การเชื่อมต่อระหว่างกัน แต่นี่ก็แทบจะไม่มีหลักฐานเพียงพอที่จะบอกว่า .
การระเบิดที่ทรงพลังที่สุดในเอกภพคือการระเบิดของรังสีแกมม่าอาจทำให้เกิดอนุภาคพลังงานมากที่สุดในเอกภพซึ่งรู้จักกันในชื่อรังสีคอสมิกพลังงานสูง (UHECRs) จากการวิเคราะห์ใหม่จากการสังเกตการณ์จากหอสังเกตการณ์ Compton Gamma-Ray ขององค์การนาซ่า
นักวิจัยรายงานเมื่อวันที่ 14 สิงหาคมว่าด้วยรูปแบบธรรมชาติของรูปแบบใหม่ที่ระบุในแสงจากการระเบิดที่ลึกลับเหล่านี้ซึ่งสามารถอธิบายได้โดยโปรตอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงที่กว้าง
โปรตอนเหล่านี้เช่นเศษกระสุนจากการระเบิดอาจเป็น UHECR รังสีคอสมิกเช่นนั้นหายากและประกอบไปด้วยความลึกลับที่ยาวนานในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดูเหมือนจะท้าทายคำอธิบายทางกายภาพเพราะมันมีพลังมากเกินกว่าที่จะถูกสร้างขึ้นโดยกลไกที่รู้จักกันดีเช่นการระเบิดของซูเปอร์โนวา
“ รังสีคอสมิค“ ลืม” ว่ามาจากไหนเพราะไม่เหมือนแสงพวกเขาถูกวิปริตในอวกาศด้วยสนามแม่เหล็ก” Maria Magdalena Gonzalez ผู้เขียนนำของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอสในนิวเม็กซิโกและนักศึกษาบัณฑิตของมหาวิทยาลัยวิสคอนซินกล่าว “ ผลลัพธ์นี้เป็นโอกาสที่น่าตื่นเต้นที่จะได้เห็นหลักฐานการผลิตที่แหล่งผลิต”
การระเบิดของรังสีแกมม่า - นักวิทยาศาสตร์ลึกลับในที่สุดก็เริ่มคลี่คลาย - สามารถส่องแสงได้อย่างยอดเยี่ยมราวกับดวงอาทิตย์ล้านล้านล้านดวงและหลาย ๆ แห่งอาจมาจากดาวระเบิดที่ทรงพลังผิดปกติ การระเบิดเป็นเรื่องปกติทว่าสุ่มและหายวับไปเพียงไม่กี่วินาที
รังสีคอสมิคเป็นอนุภาคอะตอม (ตัวอย่างเช่นอิเลคตรอนโปรตอนหรือนิวตริโน) เคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสง รังสีคอสมิคจากพลังงานต่ำถล่มโลกอย่างต่อเนื่องขับเคลื่อนโดยเปลวสุริยะและการระเบิดของดาวทั่วไป UHECRs ที่มีอนุภาคอะตอมแต่ละตัวที่มีพลังงานของเบสบอลที่ถูกโยนใน Major Leagues นั้นมีพลังมากกว่าร้อยล้านเท่าของอนุภาคที่ผลิตในเครื่องเร่งอนุภาคที่มนุษย์สร้างขึ้นที่ใหญ่ที่สุด
นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า UHECR นั้นจะต้องถูกสร้างขึ้นใกล้กับโลกสำหรับอนุภาคใด ๆ ที่เดินทางไกลกว่า 100 ล้านปีแสงจะสูญเสียพลังงานบางส่วนเมื่อถึงที่เรา ยังไม่มีแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิคทั่วไปในท้องที่ที่มีพลังมากพอที่จะสร้าง UHECR
กระดาษที่นำโดยกอนซาเลซไม่ได้มุ่งเน้นเฉพาะการผลิต UHECR แต่เป็นรูปแบบใหม่ของแสงที่เห็นจากการระเบิดของรังสีแกมม่า ขุดลึกลงไปในหอสังเกตการณ์คอมป์ตัน (ภารกิจสิ้นสุดลงในปี 2000) กลุ่มพบว่าการปะทุรังสีแกมม่าจากปี 1994 ชื่อ GRB941017 นั้นแตกต่างจากยานอวกาศ 2,700 ชิ้นที่บันทึกโดยยานอวกาศนี้ การระเบิดครั้งนี้ตั้งอยู่ในทิศทางของกลุ่มดาว Sagitta, the Arrow ซึ่งอยู่ห่างออกไปเป็นหมื่นล้านปีแสง
สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่ารังสีแกมมาคือโฟตอน (อนุภาคแสง) ซึ่งครอบคลุมพลังงานหลากหลายในความเป็นจริงนั้นกว้างกว่าหนึ่งเท่าของพลังงานที่ดวงตาของเราบันทึกเป็นสีรุ้ง กลุ่มของกอนซาเลซดูโฟตอนรังสีแกมม่าพลังงานสูงกว่า นักวิทยาศาสตร์พบว่าโฟตอนประเภทนี้มีอิทธิพลต่อการระเบิด: พวกมันมีพลังโดยเฉลี่ยมากกว่าส่วนประกอบพลังงานต่ำอย่างน้อยสามเท่า แต่น่าประหลาดใจที่มีพลังมากกว่าพันเท่าหลังจากนั้นประมาณ 100 วินาที
นั่นคือในขณะที่โฟตอนของพลังงานต่ำที่ส่งผลกระทบต่อเครื่องตรวจจับของดาวเทียมเริ่มคลายลงการไหลของโฟตอนพลังงานที่สูงขึ้นยังคงที่ การค้นพบนี้ไม่สอดคล้องกับ“ ซินโครตรอนช็อตโมเดล” ที่ได้รับความนิยมซึ่งอธิบายการระเบิดส่วนใหญ่ แล้วอะไรที่สามารถอธิบายการเสริมโฟตอนพลังงานที่สูงกว่านี้ได้?
“ คำอธิบายอย่างหนึ่งคือรังสีคอสมิกพลังงานสูงเป็นผู้รับผิดชอบ แต่วิธีการที่พวกเขาสร้างรังสีแกมม่าด้วยรูปแบบพลังงานที่เราเห็นต้องใช้การคำนวณจำนวนมาก” ดร. เบรนด้า Dingus จาก LANL ผู้ร่วมเขียนบนกระดาษกล่าว “ เราจะทำให้นักทฤษฎีบางคนยุ่งอยู่กับการพยายามคิดออก”
การฉีดอิเล็กตรอนที่มีความหนืดสูงล่าช้าเป็นอีกวิธีหนึ่งในการอธิบายการไหลของรังสีแกมม่าพลังงานสูงขนาดใหญ่โดยไม่คาดคิดใน GRB 941017 แต่คำอธิบายนี้จะต้องมีการแก้ไขแบบจำลองการระเบิดมาตรฐานดร. ชาร์ลส์เดอร์เมอร์ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่ US Naval Research Laboratory ในวอชิงตัน “ ไม่ว่าในกรณีใดผลลัพธ์นี้เผยให้เห็นกระบวนการใหม่ที่เกิดขึ้นจากการปะทุของรังสีแกมม่า” เขากล่าว
ไม่พบการระเบิดของรังสีแกมม่าที่เกิดขึ้นภายใน 100 ล้านปีแสงจากโลก แต่ผ่านการระเบิดเหล่านี้อาจเกิดขึ้นในพื้นที่ ถ้าเป็นเช่นนั้น Dingus กล่าวว่ากลไกที่กลุ่มของเธอเห็นใน GRB 941017 อาจซ้ำซ้อนกับบ้านได้ใกล้พอที่จะจัดหา UHECR ที่เราเห็นในวันนี้
การระเบิดอื่น ๆ ในหอจดหมายเหตุ Compton Observatory อาจมีรูปแบบที่คล้ายคลึงกัน แต่ข้อมูลไม่ได้ข้อสรุป กล้องโทรทรรศน์อวกาศขนาดใหญ่แกมม่าแกมม่าของนาซ่า (GLAST) ซึ่งมีกำหนดเปิดตัวในปี 2549 จะมีเครื่องตรวจจับที่ทรงพลังเพียงพอที่จะแก้ไขโฟตอนรังสีแกมม่าพลังงานสูงขึ้นและแก้ปริศนานี้
ผู้เขียนร่วมรายงานธรรมชาติรวมถึงปริญญาเอก นักศึกษาระดับปริญญาโทยูกิคาเนโกะดร. โรเบิร์ตปรีซ์และดร. ไมเคิลบริกส์แห่งมหาวิทยาลัยอลาบามาในฮันต์สวิลล์ งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากองค์การนาซ่าและสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ
UHECRs ถูกสังเกตเมื่อพวกมันชนเข้ากับชั้นบรรยากาศของเราดังที่แสดงไว้ในภาพ พลังงานจากการชนกันก่อให้เกิดห้องอาบน้ำในอากาศของอนุภาคอนุภาคหลายพันล้านอะตอมและแสงแฟลชของรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งตรวจพบโดยเครื่องมือพิเศษ
มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและผู้ทำงานร่วมกันระหว่างประเทศสนับสนุนเครื่องมือบนพื้นดินเช่น High Resolution Fly's Eye ใน Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) และ Auger Observatory ในอาร์เจนตินา (http: / /www.auger.org/) นอกจากนี้องค์การนาซ่ายังทำงานร่วมกับองค์การอวกาศยุโรปเพื่อวางหอสังเกตการณ์อวกาศเอกภพเอกภพ (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) บนสถานีอวกาศนานาชาติ ภารกิจของนกเค้าแมวที่เสนอมานั้นจะมาจากวงโคจรมองลงไปที่ฝักบัวอาบน้ำกลางอากาศดูภูมิภาคใหญ่เท่ากับเท็กซัส
นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้บันทึกแสงวูบวาบและสำรวจสำมะโนประชากรของกระสุนย่อยซึ่งทำงานย้อนหลังเพื่อคำนวณว่าพลังงานอนุภาคเดียวที่ต้องใช้ในการสร้างน้ำตกในชั้นบรรยากาศ พวกเขามาถึงตัวเลขที่น่าตกใจของ 10 ^ 20 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) หรือมากกว่า (สำหรับการเปรียบเทียบพลังงานในอนุภาคของแสงสีเหลืองคือ 2 eV และอิเล็กตรอนในหลอดโทรทัศน์ของคุณอยู่ในช่วงพลังงานพันอิเล็กตรอนโวลต์)
อนุภาคพลังงานสูงพิเศษเหล่านี้จะได้รับผลกระทบที่แปลกประหลาดซึ่งทำนายไว้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Einstein หากเราสามารถสังเกตได้ว่าพวกมันมาจากมุมที่ห่างไกลของเอกภพพูดห่างออกไปหนึ่งร้อยล้านปีแสงเราต้องอดทนรอ - มันจะใช้เวลาหนึ่งร้อยล้านปีในการเดินทาง อย่างไรก็ตามหากเราสามารถเดินทางไปกับอนุภาคการเดินทางจะจบลงในเวลาน้อยกว่าหนึ่งวันเนื่องจากการขยายเวลาของวัตถุที่เคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วซึ่งวัดโดยผู้สังเกตการณ์
รังสีคอสมิกพลังงานที่สูงที่สุดไม่สามารถมาถึงเราได้หากผลิตจากแหล่งที่ห่างไกลเพราะมันชนกันและสูญเสียพลังงานเมื่อโฟตอนไมโครเวฟคอสมิคที่เหลือจากการระเบิดครั้งใหญ่ แหล่งที่มาของรังสีคอสมิกเหล่านี้จะต้องอยู่ใกล้กับเราในระยะทางหลายร้อยล้านปีแสง ดาวที่ระเบิดเมื่อพบการปะทุของรังสีแกมม่าจะอยู่ในระยะนี้ดังนั้นความพยายามในการสังเกตการณ์อย่างเข้มงวดจึงเริ่มดำเนินการเพื่อหาเศษซากของการระเบิดด้วยรังสีแกมม่า
วัตถุท้องฟ้าบางชนิดมีเงื่อนไขที่รุนแรงที่ต้องใช้ในการระเบิดอนุภาคด้วยความเร็ว UHECR หากการปะทุของรังสีแกมม่าสร้าง UHECRs พวกมันอาจทำเช่นนั้นโดยเร่งอนุภาคในหัวฉีดของวัตถุที่พุ่งออกมาจากการระเบิดที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง การปะทุรังสีแกมม่ามีพลังในการเร่ง UHECR แต่การปะทุรังสีแกมม่าที่สังเกตเห็นนั้นห่างไกลมาแล้วนับพันล้านปีแสง นี่ไม่ได้หมายความว่าพวกเขาไม่สามารถเกิดขึ้นใกล้ ๆ ได้ภายในระยะทางลัดตัด UHECR
คู่แข่งชั้นนำสำหรับการปะทุรังสีแกมม่าในระยะยาวอย่าง GRB941017 เป็นโมเดลซูเปอร์โนวา / collapsar ซุปเปอร์โนวาเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายเท่าทำให้เชื้อเพลิงหมดลงทำให้แกนกลางยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันในขณะที่ชั้นนอกของมันถูกระเบิดในการระเบิดของเทอร์โมนิวเคลียร์ Collapsars เป็นซูเปอร์โนวาชนิดพิเศษที่แกนกลางมีขนาดใหญ่มากยุบลงไปในหลุมดำวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งไม่มีสิ่งใดแม้แต่แสงสามารถหลบหนีจากแรงโน้มถ่วงภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำได้ อย่างไรก็ตามการสำรวจบ่งชี้ว่าหลุมดำเป็นสิ่งเสพติดที่เลอะเทอะวัสดุที่นำออกมาใกล้เข้ามา แต่ไม่ข้ามขอบเขตของเหตุการณ์
ใน collapsar แกนกลางของดาวฤกษ์จะก่อตัวเป็นแผ่นดิสก์รอบ ๆ หลุมดำที่เพิ่งสร้างใหม่เช่นน้ำหมุนวนรอบท่อระบายน้ำ หลุมดำนั้นใช้ดิสก์ส่วนใหญ่ แต่บางเรื่องก็ถูกระเบิดในไอพ่นจากเสาของหลุมดำ เครื่องบินไอพ่นฉีกผ่านดาวที่ยุบตัวใกล้กับความเร็วแสงและจากนั้นก็เจาะแก๊สรอบ ๆ ดาวฤกษ์อีกต่อไป เมื่อเครื่องบินพุ่งเข้าชนกลางระหว่างดวงดาวพวกมันจะสร้างคลื่นกระแทกและชะลอความเร็วลง แรงกระแทกภายในเกิดเป็นไอพ่นเนื่องจากขอบชั้นนำของพวกมันช้าและถูกกระแทกจากด้านหลังด้วยกระแสความเร็วสูงของสสาร แรงกระแทกจะเร่งอนุภาคที่สร้างรังสีแกมม่า พวกเขายังสามารถเร่งอนุภาคให้เป็นความเร็ว UHECR ได้เช่นกัน
“ มันก็เหมือนกับการตีลูกปิงปองระหว่างไม้พายกับโต๊ะ” Dingus กล่าว “ ในขณะที่คุณขยับไม้ตีใกล้กับโต๊ะลูกบอลก็จะเด้งเร็วขึ้นและเร็วขึ้น ในการปะทุรังสีแกมม่าไม้พายและโต๊ะจะถูกยิงด้วยกระสุน สนามแม่เหล็กปั่นป่วนบังคับให้อนุภาคสะท้อนกลับไปมาระหว่างเปลือกหอยเร่งพวกมันให้เร็วเกือบเป็นแสงก่อนที่จะหลุดเป็น UHECR
การตรวจจับนิวตริโนจากการปะทุของรังสีแกมม่าจะทำให้เกิดกรณีการเร่งด้วยรังสีคอสมิกโดยการปะทุของรังสีแกมม่า นิวตรอนเป็นอนุภาคที่เข้าใจยากที่เกิดขึ้นเมื่อโปรตอนพลังงานสูงชนกับโฟตอน Neutrinos ไม่มีประจุไฟฟ้าดังนั้นยังคงชี้ไปที่ทิศทางของแหล่งกำเนิด
ปัจจุบันมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติกำลังสร้าง IceCube (http://icecube.wisc.edu/) ซึ่งเป็นเครื่องตรวจจับลูกบาศก์กิโลเมตรตั้งอยู่บนน้ำแข็งใต้ขั้วโลกใต้เพื่อค้นหาการปล่อยนิวตริโนจากการระเบิดของรังสีแกมม่า อย่างไรก็ตามคุณลักษณะของเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงสุดของธรรมชาติยังคงเป็นปริศนาที่ยืนยงแม้ว่าการเร่งความเร็วของดาวฤกษ์ที่ทำให้เกิดการระเบิดของรังสีแกมม่าได้รับความนิยมมาตั้งแต่ Mario Vietri (Universita di Roma) และ Eli Waxman (สถาบัน Weizmann) เสนอ ในปี 1995
ทีมเชื่อว่าในขณะที่คำอธิบายอื่น ๆ เป็นไปได้สำหรับการสังเกตนี้ผลที่ได้สอดคล้องกับการเร่ง UHECR ในการปะทุรังสีแกมม่า พวกเขาเห็นรังสีแกมม่าพลังงานต่ำและพลังงานสูงในการระเบิด GRB941017 รังสีแกมมาพลังงานต่ำเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดหวังจากอิเล็กตรอนความเร็วสูงที่ถูกเบี่ยงเบนจากสนามแม่เหล็กที่รุนแรงในขณะที่รังสีพลังงานสูงเป็นสิ่งที่คาดหวังหาก UHECR บางตัวเกิดการระเบิดชนกับโฟตอนอื่น ๆ ซึ่งบางแฟลชจะสร้างรังสีแกมม่าพลังงานสูงเมื่อมันสลายตัว
เวลาของการปล่อยรังสีแกมม่าก็มีความสำคัญเช่นกัน รังสีแกมม่าพลังงานต่ำจางหายไปค่อนข้างเร็วในขณะที่รังสีแกมม่าพลังงานสูงยังคงอยู่ เรื่องนี้เหมาะสมถ้าอนุภาคสองประเภทที่แตกต่างกัน - อิเล็กตรอนและโปรตอนของ UHECRs - มีความรับผิดชอบสำหรับรังสีแกมมาที่แตกต่างกัน “ มันง่ายกว่าสำหรับอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนในการเปล่งพลังงาน ดังนั้นการปล่อยรังสีแกมม่าพลังงานต่ำจากอิเล็กตรอนจะสั้นกว่ารังสีแกมมาพลังงานสูงจากโปรตอน” Dingus กล่าว
Compton Gamma Ray Observatory เป็นหอดูดาวที่ยิ่งใหญ่แห่งที่สองของ NASA และรังสีแกมม่าเทียบเท่ากับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและหอดูดาวจันทราเอ็กซ์เรย์ คอมป์ตันได้เปิดตัวยานอวกาศกระสวยแอตแลนติสในเดือนเมษายน 2534 และที่ 17 ตันเป็นยานอวกาศขนาดใหญ่ที่สุดที่เคยบินในเวลานั้น ในตอนท้ายของภารกิจบุกเบิกคอมป์ตันถูกระงับและเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกในวันที่ 4 มิถุนายน 2000
แหล่งที่มาดั้งเดิม: NASA News Release
