V roku 1991 experiment Fly’s Eye na Univerzite v Utahu odhalil kozmické žiarenie s najvyššou energiou, aké kedy bolo pozorované. Energia kozmického žiarenia, neskôr nazývaná častica Oh My God, šokovala astrofyzikov. Nič v našej galaxii nemalo kapacitu na to, aby to produkovalo, a častica mala viac energie, než by bolo teoreticky možné pre kozmické žiarenie putujúce na Zem z iných galaxií. Jednoducho povedané, častica by tam nemala byť.

Pole ďalekohľadu odvtedy zachytilo viac ako 30 vysokoenergetických kozmických lúčov, hoci žiadne sa nepriblížilo energetickej úrovni. Žiadne pozorovania zatiaľ neodhalili ich pôvod ani to, ako mohli cestovať na Zem.

27. mája 2021 experiment Telescope Array zachytil druhú najvyššiu energiu kozmického žiarenia. Veľkosť 2,4 x 10²⁰Volt, energia tejto jedinej subatomárnej častice je ekvivalentná pádu kameňa na palec z výšky pása. Experiment vedený Univerzitou v Utahu a Tokijskou univerzitou použil pole teleskopov, ktoré pozostáva z 507 staníc na detekciu povrchu usporiadaných do štvorcovej siete pokrývajúcej 700 km.² (~270 míľ²) mimo Delty, Utah, v západnej púšti štátu.

Táto udalosť spustila 23 detektorov v severozápadnej oblasti teleskopického poľa, rozmiestnených vo vzdialenosti 48 km.² (18,5 míľ²). Zdá sa, že smer jeho príchodu bol z miestnej prázdnoty, prázdnej oblasti vesmíru hraničiacej s Mliečnou dráhou.

„Častice majú veľmi vysokú energiu a nemali by byť ovplyvnené galaktickými a extragalaktickými magnetickými poľami. Mali by ste byť schopní ukázať na ich zdroj na oblohe,“ povedal John Matthews, hovorca strediska Telescope Array. Yu a spoluautor štúdie. „Ale v prípade častice ó môj bože a tejto novej častice ju môžete vystopovať späť k jej zdroju a nie je tam nič dostatočne vysoké na to, aby ju vyprodukovalo. To je tajomstvo tohto – čo sa do pekla deje?“

V ich pozorovaní publikovaný V časopise vedymedzinárodná spolupráca výskumníkov, ktorí popisujú extrémne vysokoenergetické kozmické žiarenie, hodnotia ich vlastnosti a dospejú k záveru, že zriedkavé javy môžu nasledovať po fyzike častíc, ktorú veda nepozná.

Vedci ju pomenovali častica Amaterasu podľa bohyne slnka v japonskej mytológii. Oh-My-God a častice Amaterasu boli objavené pomocou rôznych pozorovacích techník, čo potvrdzuje, že tieto extrémne vysokoenergetické udalosti, hoci sú zriedkavé, sú skutočné.

„Zdá sa, že tieto udalosti prichádzajú z úplne iných miest na oblohe,“ povedal John Bales, profesor na Kalifornskej univerzite a spoluautor štúdie. „Nie je to tak, že by existoval jeden záhadný zdroj.“ „Mohli by to byť nedokonalosti v štruktúre časopriestoru alebo kolízie kozmických strún. Hovorím len o bláznivých nápadoch, s ktorými ľudia prichádzajú, pretože neexistuje žiadne konvenčné vysvetlenie.“

Prírodné urýchľovače častíc

Kozmické lúče sú ozvenou násilných nebeských udalostí, ktoré zbavili hmotu jej subatomárnej štruktúry a vrhli ju cez vesmír takmer rýchlosťou svetla. Kozmické žiarenie sú v podstate nabité častice so širokým rozsahom energií pozostávajúce z pozitívnych protónov, negatívnych elektrónov alebo celých atómových jadier, ktoré cestujú vesmírom a dopadajú na Zem takmer nepretržite.

Kozmické lúče dopadajú na hornú vrstvu zemskej atmosféry a explodujú jadrá plynného kyslíka a dusíka, čím vzniká množstvo sekundárnych častíc. Tieto častice prechádzajú na krátku vzdialenosť do atmosféry a opakujú proces, čím vytvárajú spŕšku miliárd sekundárnych častíc, ktoré sa rozptýlia po povrchu. Plocha tejto sekundárnej sprchy je obrovská a vyžaduje, aby detektory pokryli plochu veľkú ako pole teleskopov. Povrchové detektory využívajú kombináciu zariadení, ktoré výskumníkom poskytujú informácie o každom kozmickom žiarení; Časovanie signálu ukazuje jeho dráhu a množstvo nabitých častíc zasiahnutých každým detektorom odhaľuje energiu elementárnej častice.

Keďže častice majú náboj, ich letová dráha pripomína guľu v hracom automate, keď sa kľukatí proti elektromagnetickým poliam cez kozmické mikrovlnné pozadie. Je takmer nemožné vysledovať dráhu väčšiny kozmického žiarenia, ktoré leží na nízkom až strednom konci energetického spektra. Dokonca aj vysokoenergetické kozmické žiarenie je skreslené mikrovlnným pozadím. Častice obsahujúce Ó-Môj-Bože a Amaterasuovu energiu vybuchujú medzigalaktickým priestorom v relatívne neohnutom tvare. Môžu ich vyvolať len tie najmocnejšie nebeské udalosti.

„Veci, o ktorých si ľudia myslia, že sú aktívne, ako napríklad supernovy, nie sú ani zďaleka dostatočne energetické, aby to dokázali,“ povedal Matthews. „Potrebujete obrovské množstvo energie a veľmi vysoké magnetické polia, aby ste zadržali časticu pri zrýchľovaní.“

Kozmické žiarenie s vysokou energiou musí presiahnuť 5 x 10¹⁹ Volt. To znamená, že jedna subatomárna častica nesie rovnakú kinetickú energiu ako rýchla loptička hráča hlavnej ligy a má desiatky miliónov krát viac energie, než by dokázal dosiahnuť ktorýkoľvek urýchľovač častíc vyrobený človekom.

Astrofyzici vypočítali túto teoretickú hranicu, známu ako Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK) cutoff, ako maximálne množstvo energie, ktoré môže protón uniesť pri cestovaní na veľké vzdialenosti, než mu energiu odoberú interakcie mikrovlnného žiarenia na pozadí.

Známe kandidátske zdroje, ako sú aktívne galaktické jadrá alebo čierne diery s akrečnými diskami emitujúcimi výtrysky častíc, majú tendenciu byť viac ako 160 miliónov svetelných rokov od Zeme. Nová častica má rozmer 2,4×10²⁰ Volt a častica, och, 3,2 x 10²⁰ Volt ľahko prekročí hranicu.

Výskumníci tiež analyzujú zloženie kozmického žiarenia, aby zistili jeho pôvod. Ťažšie častice, ako sú jadrá železa, sú ťažšie, majú väčší náboj a pravdepodobnejšie sa ohýbajú v magnetickom poli ako ľahšie častice vyrobené z protónov atómu vodíka. Nová častica bude pravdepodobne protón. Časticová fyzika tvrdí, že kozmické žiarenie, ktorého energia presahuje hranicu GZK, je také silné, že mikrovlnné pozadie nemôže skresliť ich dráhu, ale vystopovať body ich dráhy do prázdneho priestoru.

„Magnetické polia môžu byť silnejšie, ako sme si mysleli, ale to je v rozpore s inými pozorovaniami, ktoré ukazujú, že nie sú dostatočne silné na to, aby spôsobili výrazné zakrivenie pri týchto 10 stupňoch.“²⁰ „Elektrónvoltové energie,“ povedal Bales. „Je to skutočná záhada.“

Rozširujúca sa stopa

Zostava teleskopu je jedinečne umiestnená na detekciu kozmického žiarenia s veľmi vysokou energiou. Nachádza sa v nadmorskej výške asi 1 200 metrov (4 000 stôp), čo je ideálny bod nadmorskej výšky, ktorý umožňuje sekundárnym časticiam maximálne sa rozvinúť, ale skôr, než sa začnú rozkladať. Jeho poloha v západnej púšti Utahu poskytuje ideálne poveternostné podmienky dvoma spôsobmi: suchý vzduch je kritický, pretože vlhkosť absorbuje ultrafialové svetlo potrebné na detekciu; Tmavá obloha je nevyhnutná, pretože svetelné znečistenie vytvorí veľa hluku a blokuje kozmické žiarenie.

Astrofyzici si stále lámu hlavu nad týmto záhadným javom. Pole ďalekohľadu je uprostred procesu rozširovania, ktorý, ako dúfajú, pomôže vyriešiť tento problém. Po dokončení rozšíri 500 nových scintilačných detektorov pole teleskopu a bude vzorkovať spŕšky častíc generovaných kozmickým žiarením na vzdialenosť 2 900 kilometrov.² (1100 míľ² ), oblasť o veľkosti štátu Rhode Island. Dúfajme, že väčšia stopa zachytí viac udalostí, ktoré objasnia, čo sa deje.