אשראי תמונה: נאס"א
אסטרונומים מאמינים שפרצי קרני גאמא, הפיצוצים החזקים ביותר ביקום, עשויים לייצר קרניים קוסמיות אולטרה-גבוהה, החלקיקים האנרגטיים ביותר ביקום. עדויות שנאספו על ידי מצפה הכוכבים גמא-ריי המפותח על ידי נאס"א, הראו שבאחת המקרים של פרץ קרני גאמה, חלקיקי האנרגיה הגבוהה האלה שלטו באזור והעניקו קשר ביניהם, אך זו כמעט לא הוכחה כדי לומר שהם קשורים באופן חד-משמעי. .
הפיצוצים החזקים ביותר ביקום, התפרצויות קרני גאמה, עשויים לייצר את החלקיקים האנרגטיים ביותר ביקום, המכונים קרני הקוסמה האולטרה-גבוהה-אנרגטית (UHECRs), על פי ניתוח חדש של תצפיות ממצפה גמא-ריי של קמפטון של נאס"א.
החוקרים מדווחים במהדורת ה- Nature of Nature של ה -14 באוגוסט על תבנית שזוהתה לאחרונה לאור מהתפרצויות האניגמטיות הללו שניתן להסביר על ידי פרוטונים הנעות בתוך רוחב שיער מהירות האור.
הפרוטונים האלה, כמו רסיס מפיצוץ, יכולים להיות UHECR. קרניים קוסמיות כאלה נדירות ומהוות תעלומה מתמשכת באסטרופיזיקה, כביכול מתריסות כהסבר פיזי, שכן הן פשוט אנרגטיות מכדי שנוצרו על ידי מנגנונים ידועים כמו פיצוצי סופרנובה.
"קרניים קוסמיות 'שוכחות' מאיפה הן מגיעות מכיוון שבניגוד לאור, הן מוצפות בחלל על ידי שדות מגנטיים," אמרה הסופרת הראשית מריה מגדלנה גונזלס מהמעבדה הלאומית לוס אלמוס בניו מקסיקו וסטודנטית לתואר שני באוניברסיטת ויסקונסין. "תוצאה זו היא הזדמנות מרגשת לראות עדויות לכך שהן מופקות במקורן."
התפרצויות קרני גמא - מסתור שמדענים מתחילים סוף סוף להתפרק - יכולים להאיר בצורה מבריקה כמו מיליון טריליון שמשות, ורבים עשויים להיות מסוג חזק במיוחד של כוכב מתפוצץ. ההתפרצויות נפוצות ועם זאת אקראיות וחולפות ונמשכות שניות בלבד.
קרניים קוסמיות הן חלקיקים אטומיים (למשל אלקטרונים, פרוטונים או נייטרינים) הנעים קרוב למהירות האור. קרניים קוסמיות אנרגיות נמוכות מפציצות את כדור הארץ ללא הרף, מונעות על ידי התלקחויות שמש ופיצוצי כוכבים טיפוסיים. UHECRs, כאשר כל חלקיק אטומי הנושא את האנרגיה של בייסבול שנזרק בליגות הגדולות, הם אנרגטיים פי מאה מיליון מהחלקיקים המיוצרים במאיץ החלקיקים הגדול ביותר מתוצרת אנוש.
מדענים אומרים שחייבים להפיק את ה- UHECR קרוב יחסית לכדור הארץ, שכן כל חלקיק הנוסע רחוק יותר ממאה מיליון שנות אור יאבד חלק מהאנרגיה שלו עד שהוא הגיע אלינו. עם זאת אף מקור מקומי לקרניים קוסמיות רגילות לא נראה חזק מספיק כדי ליצור UHECR.
העיתון בהובלת גונזלס מתמקד לא במיוחד בייצור UHECR אלא בדפוס אור חדש שנראה בפרץ קרני גאמה. כשהם חופרים עמוק בארכיוני מצפה הכוכבים קומפטון (המשימה הסתיימה בשנת 2000), הקבוצה מצאה כי קרן גאמה התפרצה משנת 1994, בשם GRB941017, נראית שונה משאר 2,700 הפרצים האחרים שהוקלטו על ידי החללית הזו. פרץ זה היה ממוקם בכיוון קבוצת הכוכבים שגיתא, החץ, ככל הנראה במרחק של עשרה מיליארד שנות אור.
מה שמדענים מכנים קרני גאמה הם פוטונים (חלקיקי אור) המכסים מגוון רחב של אנרגיות, למעשה, יותר ממיליון פעמים רחבים יותר מהאנרגיות שעינינו רושמות כצבעים בקשת. הקבוצה של גונזלס התבוננה בפוטונים של קרני gamm-אנרגיה גבוהה יותר. המדענים גילו כי סוגים אלה של פוטונים שלטו בפרץ: הם היו לפחות פי שלושה חזקים יותר בממוצע מאשר רכיב האנרגיה הנמוכה ועם זאת, באופן מפתיע, אלפי פעמים חזקים יותר לאחר כמאה שניות.
כלומר, בעוד שזרימת פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה שפגעה בגלאי הלוויין החלה להקל, זרימת פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר נותרה יציבה. הממצא אינו עולה בקנה אחד עם "מודל ההלם של סינכרוטרון" המתאר את רוב ההתפרצויות. אז מה יכול להסביר העשרה זו של פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר?
"הסבר אחד הוא שקרניים קוסמיות אולטרה-גבוהות אחראיות, אבל בדיוק איך הם יוצרים את קרני הגמא עם דפוסי האנרגיה שראינו צריך הרבה חישובים," אמרה ד"ר ברנדה דינגוס, מ- LANL, מחברת משותפת בעיתון. "אנו נעסוק בכמה תיאורטיקנים בניסיון להבין זאת."
הזרקה מאוחרת של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד מספקת דרך נוספת להסביר את זרימת קרני הגמא באנרגיה גבוהה באופן בלתי צפוי שנצפתה ב- GRB 941017. אולם הסבר זה ידרוש עדכון של מודל הפרץ הסטנדרטי, אמר המחבר השותף ד"ר צ'רלס דרמר, אסטרופיזיקאי תיאורטי במעבדה לחקר הימים האמריקני בוושינגטון. "בשני המקרים, תוצאה זו חושפת תהליך חדש המתרחש בהתפרצויות קרני גמא", אמר.
התפרצויות קרני גמא לא התגלו שמקורן בתוך 100 מיליון שנות אור מכדור הארץ, אך דרך העזרים יתכן כי סוגים אלה של פיצוצים התרחשו באופן מקומי. אם כן, אמר דינגוס, ניתן היה לשכפל את המנגנון שקבוצתה בקבוצה ראה ב- GRB 941017 קרוב לבית, קרוב מספיק בכדי לספק את ה- UHECRs שאנו רואים כיום.
יתכן כי התפרצויות אחרות בארכיון המצפה בקומפטון הציגו דפוס דומה, אך הנתונים אינם חד משמעיים. בטלסקופ החלל הגדול-שטח הגדול של נאס"א (GLAST), המתוכנן לשיגור בשנת 2006, יהיו גלאים חזקים מספיק בכדי לפתור פוטונים של קרני גאמא באנרגיה גבוהה יותר ולפתרון תעלומה זו.
מחברים משותפים לדוח הטבע כוללים גם דוקטורט. סטודנט לתואר שני יוקי קנקו, ד"ר רוברט פריס, וד"ר מייקל בריגס מאוניברסיטת אלבמה בהאנטסוויל. מחקר זה מומן על ידי נאס"א והמשרד למחקר ימי.
מדדי UHECR נצפים כאשר הם מתרסקים באטמוספירה שלנו, כפי שמודגם באיור. האנרגיה מההתנגשות מייצרת מקלחת אוויר של מיליארדים של חלקיקים תת-אטומיים והבזקי אור אולטרה סגול, שמתגלים באמצעות מכשירים מיוחדים.
קרן המדע הלאומית ומשתפי פעולה בינלאומיים נתנו חסות לכלים בשטח, כמו עין הזבוב ברזולוציה גבוהה ביוטה (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) ומצפה הכוכבים אוגר בארגנטינה (http: / /www.auger.org/). בנוסף, נאס"א פועלת עם סוכנות החלל האירופית למקם את מצפה החלל היקום הקיצוני (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) בתחנת החלל הבינלאומית. המשימה המוצעת של ה- OWL תצפה, ממסלולו, כלפי מטה לכיוון ממטרי האוויר, וצופה באזור גדול כמו טקסס.
מדענים אלה רושמים את ההבזקים ולוקחים מפקד של הרסיס התת-אטומי, עובדים לאחור כדי לחשב כמה אנרגיה חלקיק בודד זקוק בכדי להפוך את המפל האטמוספרי. הם מגיעים לנתון מזעזע של 10 ^ 20 וולט אלקטרוני (eV) ומעלה. (לשם השוואה, האנרגיה בחלקיק של אור צהוב היא 2 eV, והאלקטרונים בצינור הטלוויזיה שלך הם בטווח האנרגיה של אלף וולט אלקטרונים.)
חלקיקי האנרגיה האולטרה-גבוהה האלה חווים את ההשפעות המוזרות שחזתה תורת היחסות המיוחדת של אינשטיין. אם היינו יכולים לצפות בהם באים מפינה נידחת של הקוסמוס, נניח במרחק של מאה מיליון שנות אור, היינו צריכים להיות סבלניים - ייקח מאה מיליון שנה לסיים את המסע. עם זאת, אם היינו יכולים לנסוע עם החלקיקים, הטיול נגמר תוך פחות מיום עקב התרחבות הזמן של עצמים הנעים במהירות כפי שנמדד על ידי המתבונן.
הקרניים הקוסמיות האנרגיות הגבוהות ביותר אפילו לא יכולות להגיע אלינו אם הן מופקות ממקורות מרוחקים, מכיוון שהן מתנגשות ומאבדות אנרגיה עם פוטוני המיקרוגל הקוסמיים שנותרו מהמפץ הגדול. יש למצוא מקורות לקרניים הקוסמיות הללו יחסית קרוב אלינו, במרחק של כמה מאות מיליוני שנות אור. כוכבים שמתפוצצים כפרצי קרני גאמא נמצאים במרחק זה, ולכן מתקיימים מאמצי תצפית אינטנסיביים למצוא שרידי פרץ קרני גאמא המובחנות על ידי הילות קרינה שנעשו על ידי הקרניים הקוסמיות.
מעטים מסוגי החפצים השמימיים הם בעלי התנאים הקיצוניים הנדרשים לפיצוץ חלקיקים למהירות UHECR. אם התפרצויות קרני gamma מייצרות UHECR, הם ככל הנראה עושים זאת על ידי האצת חלקיקים במטוסי חומר שנפלטים מהפיצוץ קרוב למהירות האור. להתפרצויות קרני הגמא יש את הכוח להאיץ UHECRs, אך התפרצויות קרני הגמא שנצפו עד כה היו מרוחקות, במרחק מיליארדי שנות אור. זה לא אומר שהם לא יכולים להתרחש בקרבת מקום, במרחק ניתוק UHECR.
מתמודד מוביל עבור סוגים ארוכים של פרצי קרני גאמה כמו GRB941017 הוא מודל הסופרנובה / התמוטטות. סופרנובות מתרחשות כאשר כוכב מסיבי פי כמה מהשמש ממצה את הדלק שלו, וגורם ליבה שלו להתמוטט תחת כוח הכובד שלו בעוד שכבותיו החיצוניות מפוצצות בפיצוץ תרמו-גרעיני עצום. מתקפלים הם סוג מיוחד של סופרנובה שהליבה בה כה מאסיבית שהיא קורסת לחור שחור, חפץ כל כך צפוף ששום דבר, אפילו לא אור, לא יכול לברוח מכוח המשיכה שלו באופק האירועים של החור השחור. עם זאת, תצפיות מצביעות על חורים שחורים הם אוכלי מרושל, המוציאים חומר החולף ליד אופק האירועים שלהם, אך אינו חוצה.
במתפרץ, ליבת הכוכב יוצרת דיסק של חומר סביב החור השחור החדש שנוצר, כמו מים שמתערבלים סביב ניקוז. החור השחור צורך את רוב הדיסק, אך חומר כלשהו נפוצץ במטוסים מהקטבים של החור השחור. המטוסים קורעים את הכוכב המתמוטט קרוב למהירות האור ואז מנקבים בגז המקיף את הכוכב הנידון. כאשר המטוסים מתרסקים במדיום הבין-כוכבי, הם יוצרים גלי הלם ומאטים. זעזועים פנימיים נוצרים גם במטוסים כשקצוותיהם המובילות מאטיות ומוטים מאחור בזרם של חומר מהיר. הזעזועים מאיצים חלקיקים המייצרים קרני גאמה; הם יכולים גם להאיץ חלקיקים למהירות UHECR, לפי הצוות.
"זה כמו להקפיץ כדור פינג פונג בין ההנעה לשולחן," אמר דינגוס. "כשמקרבים את ההנעה קרוב יותר לשולחן, הכדור מקפיץ מהר יותר ויותר. בהתפרצות קרני גאמה, ההנעה והשולחן פגזים במטוס. שדות מגנטיים סוערים מאלצים את החלקיקים להרכיב מחדש בין הקליפות, ומאיצים אותם כמעט למהירות האור לפני שהם משתחררים כ- UHECRs. "
איתור נייטרינו מהתפרצויות קרני גאמא היה מסייע במקרה של האצת קרניים קוסמיות על ידי התפרצויות קרני גאמא. נייטרינו הם חלקיקים חמקמקים הנוצרים כאשר פרוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מתנגשים עם פוטונים. לנייטרינו אין מטען חשמלי, ולכן עדיין מצביעים על כיוון המקור שלהם.
הקרן הלאומית למדע בונה בימים אלה את IceCube (http://icecube.wisc.edu/), גלאי קוביה שנמצאת בקוטר שנמצא בקרח שמתחת לקוטב הדרומי, כדי לחפש פליטת נייטרינו מפרצי קרני גאמה. עם זאת, המאפיינים של מאיצי החלקיקים האנרגיים הגבוהים ביותר בטבע נותרו תעלומה מתמשכת, אם כי האצה מצד הכוכבים המתפוצצים שעושים התפרצויות קרני גאמה הייתה בעד מאז שמריו וייטרי (Universita di Roma) ואלי וקסמן (מכון ויצמן) הציעו זאת בשנת 1995.
הצוות מאמין כי בעוד שהסברים אחרים אפשריים לתצפית זו, התוצאה עולה בקנה אחד עם האצת UHECR בהתפרצויות קרני גמא. הם ראו קרני גאמה בעלות אנרגיה נמוכה וגם אנרגיה גבוהה בפיצוץ GRB941017. קרני הגמא באנרגיה נמוכה הם מה שמצפים מדענים מהאלקטרונים המהירים שיונחו על ידי שדות מגנטיים עזים, ואילו קרני האנרגיה הגבוהה הן מה שצפוי אם חלק מה- UHECR המופקים בהתפרצות יתנגשו בפוטונים אחרים ויוצרים מקלחת חלקיקים שחלקם מהבהבים כדי לייצר את קרני הגמא האנרגיה הגבוהה כשהם מתפרקים.
העיתוי לפליטת קרני הגמא הוא גם משמעותי. קרני הגמא בעלות האנרגיה הנמוכה נמוגו במהירות יחסית ואילו קרני הגמא בעלות האנרגיה הגבוהה התעכבה. זה הגיוני אם שתי קבוצות חלקיקים שונות - אלקטרונים והפרוטונים של ה- UHECRs - אחראיות לקרני הגמא השונות. "הרבה יותר קל לאלקטרונים מאשר לפרוטונים להקרין את האנרגיה שלהם. לפיכך פליטת קרני הגמא באנרגיה נמוכה מאלקטרונים תהיה קצרה יותר מקרני הגמא באנרגיה גבוהה מהפרוטונים, "אמר דינגוס.
מצפה הכוכבים של גומי קרן קומפטון היה השני במצפות הכוכבים הגדולות של נאס"א, וקרן הגמא המקבילה לטלסקופ החלל האבל ומצפה הרנטגן של צ'נדרה. קומפטון הושקה על סיפון מעבורת החלל אטלנטיס באפריל 1991, ובגובה של 17 טונות, היה העומס האסטרופיזי הגדול ביותר שהוטס אי פעם באותה תקופה. בסוף משימתו החלוצית, קומפטון הושמטה ונכנסה שוב לאווירת כדור הארץ ב- 4 ביוני 2000.
המקור המקורי: מהדורת חדשות NASA
