Chỉ đứng sau hạt Oh-My-God, hạt Amaterasu mới được đặt tên làm sâu sắc thêm bí ẩn về nguồn gốc, sự lan truyền và vật lý hạt của các tia vũ trụ năng lượng cực cao, hiếm.

Năm 1991, thí nghiệm Fly’s Eye của Đại học Utah đã tiết lộ các tia vũ trụ có năng lượng cao nhất từng được quan sát thấy. Sau này được mệnh danh là hạt Oh My God, năng lượng của tia vũ trụ đã gây sốc cho các nhà vật lý thiên văn. Không có gì trong thiên hà của chúng ta có khả năng tạo ra thứ đó và hạt này có nhiều năng lượng hơn mức có thể có về mặt lý thuyết đối với các tia vũ trụ truyền đến Trái đất từ ​​các thiên hà khác. Nói một cách đơn giản, hạt không nên có ở đó.

Câu đố thiên văn

Mảng kính thiên văn kể từ đó đã phát hiện hơn 30 tia vũ trụ năng lượng cao, mặc dù không có tia nào đạt tới mức năng lượng. Chưa có quan sát nào tiết lộ nguồn gốc của chúng hoặc cách chúng có thể du hành đến Trái đất.

Hình minh họa của nghệ sĩ về các tia vũ trụ có năng lượng cao được quan sát bởi mảng máy dò bề mặt của Kính viễn vọng Mảng, được gọi là hạt Amaterasu. Nguồn: Đại học Osaka Metropolitan/L-Insight, Đại học Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

Vào ngày 27 tháng 5 năm 2021, thí nghiệm Kính thiên văn Array đã phát hiện ra tia vũ trụ có năng lượng cao thứ hai. Kích thước 2,4 x 10²⁰Volt, năng lượng của hạt hạ nguyên tử đơn lẻ này tương đương với việc thả một hòn đá vào ngón chân của bạn từ độ cao ngang thắt lưng. Mảng kính viễn vọng do Đại học Utah (U) và Đại học Tokyo dẫn đầu, bao gồm 507 trạm phát hiện bề mặt được sắp xếp thành một lưới hình vuông có diện tích 700 km.² (~270 dặm²) bên ngoài Delta, Utah ở sa mạc phía tây của bang. Sự kiện này đã kích hoạt 23 máy dò ở khu vực phía tây bắc của dãy kính thiên văn, trải rộng trên khoảng cách 48 km.² (18,5 dặm²). Hướng đến của nó dường như là từ khoảng trống cục bộ, một vùng không gian trống liền kề với dải Ngân Hà ngân hà.

John Matthews, người phát ngôn của Telescope Array tại Đại học, cho biết: “Các hạt này có năng lượng rất cao và không bị ảnh hưởng bởi từ trường thiên hà và ngoài thiên hà. Chúng có thể chỉ ra chúng đến từ đâu trên bầu trời”. California và đồng tác giả của nghiên cứu, nhưng trong trường hợp của hạt Oh My God và hạt mới này, bạn có thể truy tìm nguồn gốc của nó và không có năng lượng nào đủ cao để tạo ra nó. Đó là bí mật của việc này – chuyện quái gì đang xảy ra vậy?

hạt amaterasu

Trong ghi chú của họ được công bố vào ngày 24 tháng 11 năm 2023 trên tạp chí Khoa học, một sự hợp tác quốc tế của các nhà nghiên cứu đã mô tả các tia vũ trụ năng lượng cực cao, đánh giá tính chất của chúng và kết luận rằng những hiện tượng hiếm gặp có thể xảy ra theo vật lý hạt mà khoa học chưa biết đến. Các nhà nghiên cứu đặt tên cho nó là hạt Amaterasu, theo tên nữ thần mặt trời trong thần thoại Nhật Bản. Các hạt Oh-My-God và Amaterasu được phát hiện bằng các kỹ thuật quan sát khác nhau, xác nhận rằng những sự kiện năng lượng cực cao này, mặc dù hiếm gặp, là có thật.

Minh họa nghệ thuật về thiên văn học tia vũ trụ siêu năng lượng để minh họa các hiện tượng có năng lượng cao trái ngược với các tia vũ trụ yếu hơn bị ảnh hưởng bởi trường điện từ. Nguồn: Đại học Thành phố Osaka/Đại học Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

John Bales, giáo sư tại U và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Những sự kiện này dường như đến từ những nơi hoàn toàn khác nhau trên bầu trời. Không phải là có một nguồn bí ẩn duy nhất”. không-thời gian, sự va chạm của các dây vũ trụ. Ý tôi là, tôi chỉ đang nói về những ý tưởng điên rồ mà mọi người nghĩ ra vì không có lời giải thích thông thường nào cả.

Máy gia tốc hạt tự nhiên

Tia vũ trụ là tiếng vang của các sự kiện thiên thể dữ dội đã bóc tách vật chất xuống cấu trúc hạ nguyên tử và ném nó đi khắp vũ trụ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Tia vũ trụ về cơ bản là các hạt tích điện có nhiều mức năng lượng bao gồm proton dương, electron âm hoặc toàn bộ hạt nhân nguyên tử di chuyển trong không gian và rơi xuống Trái đất gần như liên tục.

Các tia vũ trụ chạm vào bầu khí quyển phía trên của Trái đất và làm nổ tung hạt nhân oxy và khí nitơ, tạo ra nhiều hạt thứ cấp. Những hạt này di chuyển một khoảng cách ngắn vào khí quyển và lặp lại quá trình, tạo ra một cơn mưa hàng tỷ hạt thứ cấp phân tán trên bề mặt. Diện tích của vòi hoa sen thứ cấp này rất lớn và đòi hỏi các máy dò phải bao phủ một khu vực rộng bằng một dãy kính viễn vọng. Máy dò bề mặt sử dụng tổ hợp các thiết bị cung cấp cho các nhà nghiên cứu thông tin về từng tia vũ trụ; Thời gian của tín hiệu cho thấy đường đi của nó và lượng hạt tích điện chạm vào mỗi máy dò cho thấy năng lượng của hạt cơ bản.

Bởi vì các hạt có điện tích, đường bay của chúng giống như một quả bóng trong máy pinball khi nó di chuyển ngoằn ngoèo trong các trường điện từ thông qua nền vi sóng vũ trụ. Hầu như không thể theo dõi đường đi của hầu hết các tia vũ trụ, chúng nằm ở đầu thấp đến trung bình của phổ năng lượng. Ngay cả các tia vũ trụ năng lượng cao cũng bị nền vi sóng làm biến dạng. Các hạt chứa năng lượng của Oh-My-God và Amaterasu phóng xuyên qua không gian giữa các thiên hà với hình dạng tương đối chắc chắn. Chỉ những sự kiện thiên thể mạnh mẽ nhất mới có thể tạo ra chúng.

Matthews nói: “Những thứ mà mọi người cho là đang hoạt động, như siêu tân tinh, không có đủ năng lượng để làm điều đó. Chúng ta cần một lượng năng lượng khổng lồ và từ trường rất cao để giam giữ hạt khi nó tăng tốc”.

Bí mật của tia vũ trụ siêu năng lượng

Tia vũ trụ năng lượng cao phải vượt quá 5 x 10¹⁹ Vôn. Điều này có nghĩa là một hạt hạ nguyên tử mang động năng tương tự như quả bóng nhanh của một vận động viên nhảy cầu lớn và có năng lượng gấp hàng chục triệu lần so với bất kỳ máy gia tốc hạt nhân tạo nào có thể đạt được. Các nhà vật lý thiên văn đã tính toán giới hạn lý thuyết này, gọi là ngưỡng Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK), là lượng năng lượng tối đa mà một proton có thể mang theo khi di chuyển những khoảng cách xa trước khi các tương tác bức xạ nền vi sóng lấy đi năng lượng của nó. Các nguồn ứng cử viên đã biết, chẳng hạn như hạt nhân thiên hà đang hoạt động hoặc lỗ đen với các đĩa bồi tụ phát ra các tia hạt, có xu hướng cách Trái đất hơn 160 triệu năm ánh sáng. Hạt mới có kích thước 2,4×10²⁰ Một volt và một hạt, ôi chao, 3,2 x 10²⁰ Volt dễ dàng vượt quá mức cắt.

Các nhà nghiên cứu cũng đang phân tích thành phần của tia vũ trụ để tìm manh mối về nguồn gốc của chúng. Các hạt nặng hơn, chẳng hạn như hạt nhân sắt, nặng hơn, có điện tích lớn hơn và có nhiều khả năng bị uốn cong trong từ trường hơn các hạt nhẹ hơn được tạo thành từ proton hydro. Ngô. Hạt mới có khả năng là một proton. Vật lý hạt cho rằng tia vũ trụ có năng lượng vượt quá ngưỡng GZK mạnh đến mức nền vi sóng không thể làm biến dạng đường đi của nó mà chỉ vẽ đường đi của nó hướng vào không gian trống rỗng.

“Từ trường có thể mạnh hơn chúng ta nghĩ, nhưng điều này mâu thuẫn với những quan sát khác cho thấy chúng không đủ mạnh để tạo ra độ cong đáng kể ở năng lượng từ 10 đến 20 MeV,” Bales nói. “Đó thực sự là một bí ẩn.”

Mở rộng tìm kiếm và mảng kính thiên văn

các Mảng kính thiên văn Nó được định vị độc đáo để phát hiện các tia vũ trụ năng lượng rất cao. Nó nằm ở độ cao khoảng 1.200 mét (4.000 ft), điểm cao lý tưởng cho phép các hạt thứ cấp phát triển tối đa nhưng trước khi chúng bắt đầu phân rã. Vị trí của nó ở sa mạc phía tây Utah mang lại điều kiện thời tiết lý tưởng theo hai cách: không khí khô rất quan trọng vì độ ẩm sẽ hấp thụ tia cực tím cần thiết để phát hiện; Bầu trời tối là cần thiết, vì ô nhiễm ánh sáng sẽ tạo ra nhiều tiếng ồn và cản trở các tia vũ trụ.

Các nhà vật lý thiên văn vẫn còn bối rối trước hiện tượng bí ẩn này. Mảng kính thiên văn đang trong quá trình mở rộng mà họ hy vọng sẽ giúp giải quyết vấn đề này. Sau khi hoàn thành, 500 máy dò nhấp nháy mới sẽ mở rộng phạm vi của kính thiên văn và lấy mẫu các trận mưa hạt do tia vũ trụ tạo ra trên phạm vi 2.900 km.² (1100 dặm² ), một khu vực có diện tích bằng bang Rhode Island. Hy vọng rằng dấu chân lớn hơn sẽ ghi lại được nhiều sự kiện hơn giúp làm sáng tỏ những gì đang diễn ra.

Để biết thêm về khám phá này:

Tham khảo: “Tia vũ trụ cực mạnh được phát hiện bởi mảng máy dò bề mặt” ngày 23 tháng 11 năm 2023, Khoa học.
doi: 10.1126/science.abo5095