Para astronom dikejutkan oleh sinar kosmik misterius berenergi sangat tinggi – ‘Apa yang terjadi?’

Yang kedua setelah partikel Ya Tuhan, partikel baru bernama Amaterasu memperdalam misteri asal usul, perambatan, dan fisika partikel sinar kosmik berenergi sangat tinggi yang langka.

Pada tahun 1991, eksperimen Fly’s Eye di Universitas Utah mengungkapkan sinar kosmik berenergi tertinggi yang pernah diamati. Kemudian dijuluki partikel Ya Tuhan, energi sinar kosmik mengejutkan para astrofisikawan. Tidak ada satu pun di galaksi kita yang mampu menghasilkan energi tersebut, dan partikel tersebut memiliki energi lebih besar daripada energi yang secara teoritis dapat dihasilkan oleh sinar kosmik yang merambat ke Bumi dari galaksi lain. Sederhananya, partikel tersebut seharusnya tidak ada di sana.

Teka-teki astronomi

Rangkaian teleskop tersebut telah mendeteksi lebih dari 30 sinar kosmik berenergi tinggi, meskipun tidak ada yang mendekati tingkat energi tersebut. Belum ada pengamatan yang mengungkap asal usul mereka atau bagaimana mereka bisa melakukan perjalanan ke Bumi.

Ilustrasi seniman tentang sinar kosmik berenergi tinggi yang diamati oleh rangkaian detektor permukaan Teleskop Array, yang disebut partikel Amaterasu. Sumber: Universitas Metropolitan Osaka/L-Insight, Universitas Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

Pada 27 Mei 2021, eksperimen Telescope Array mendeteksi sinar kosmik berenergi tertinggi kedua. Ukuran 2,4×10²⁰Volt, energi partikel subatom tunggal ini setara dengan menjatuhkan batu di jari kaki Anda dari ketinggian pinggang. Susunan teleskop, yang dipimpin oleh Universitas Utah (U) dan Universitas Tokyo, terdiri dari 507 stasiun pendeteksi permukaan yang disusun dalam kotak persegi seluas 700 km.² (~270 mil²) di luar Delta, Utah di gurun barat negara bagian itu. Peristiwa ini memicu 23 detektor di wilayah barat laut susunan teleskop, tersebar pada jarak 48 km.² (18,5 mil²). Arah kedatangannya tampaknya berasal dari kekosongan lokal, suatu wilayah ruang kosong yang berdekatan dengannya Bima Sakti galaksi.

“Partikel-partikel tersebut memiliki energi yang sangat tinggi, dan tidak boleh terpengaruh oleh medan magnet galaksi dan ekstragalaksi. Partikel-partikel tersebut harus dapat menunjukkan dari mana mereka berasal di langit,” kata John Matthews, juru bicara Telescope Array di Universitas of California. California dan rekan penulis penelitian ini. Namun dalam kasus partikel Ya Tuhan dan partikel baru ini, Anda dapat melacaknya kembali ke sumbernya dan tidak ada energi yang cukup tinggi untuk memproduksinya. Itulah rahasianya – apa yang sedang terjadi?

Partikel Amaterasu

Dalam catatan mereka yang dimuat pada 24 November 2023 di majalah tersebut Sains, sebuah kolaborasi peneliti internasional yang mendeskripsikan sinar kosmik berenergi sangat tinggi, mengevaluasi sifat-sifatnya, dan menyimpulkan bahwa fenomena langka mungkin mengikuti fisika partikel yang tidak diketahui sains. Para peneliti menamakannya partikel Amaterasu, diambil dari nama dewi matahari dalam mitologi Jepang. Partikel Ya Tuhan dan Amaterasu ditemukan menggunakan teknik pengamatan yang berbeda, membenarkan bahwa peristiwa berenergi sangat tinggi ini, meskipun jarang terjadi, adalah nyata.

Ilustrasi artistik astronomi sinar kosmik ultra-energi untuk menggambarkan fenomena berenergi tinggi berbeda dengan sinar kosmik lemah yang dipengaruhi oleh medan elektromagnetik. Sumber: Universitas Metropolitan Osaka/Universitas Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

“Peristiwa-peristiwa ini sepertinya datang dari tempat yang sangat berbeda di langit. Tampaknya tidak ada satu sumber yang misterius,” kata John Bales, seorang profesor di Universitas U dan salah satu penulis studi tersebut. ruang-waktu, tumbukan string kosmik. Maksud saya, saya hanya berbicara tentang ide-ide gila yang muncul karena tidak ada penjelasan konvensional.

Akselerator partikel alami

Sinar kosmik merupakan gema peristiwa-peristiwa dahsyat di angkasa yang melucuti materi hingga ke struktur subatomnya dan melemparkannya ke seluruh alam semesta dengan kecepatan yang hampir sama dengan kecepatan cahaya. Sinar kosmik pada dasarnya adalah partikel bermuatan dengan berbagai energi yang terdiri dari proton positif, elektron negatif, atau seluruh inti atom yang melintasi ruang angkasa dan jatuh ke bumi hampir terus menerus.

Sinar kosmik menghantam atmosfer bagian atas bumi dan meledakkan inti oksigen dan gas nitrogen, menghasilkan banyak partikel sekunder. Partikel-partikel ini melakukan perjalanan jarak pendek ke atmosfer dan mengulangi prosesnya, menciptakan miliaran partikel sekunder yang tersebar di permukaan. Area pancuran sekunder ini sangat besar dan memerlukan detektor yang mencakup area seluas susunan teleskop. Detektor permukaan menggunakan kombinasi perangkat yang memberikan informasi kepada peneliti tentang setiap sinar kosmik; Waktu sinyal menunjukkan jalurnya dan jumlah partikel bermuatan yang mengenai setiap detektor menunjukkan energi partikel elementer.

Karena partikel mempunyai muatan, jalur terbangnya menyerupai bola di mesin pinball yang bergerak zig-zag melawan medan elektromagnetik melalui latar belakang gelombang mikro kosmik. Hampir tidak mungkin untuk melacak jalur sebagian besar sinar kosmik, yang terletak pada spektrum energi ujung rendah hingga menengah. Bahkan sinar kosmik berenergi tinggi pun terdistorsi oleh latar belakang gelombang mikro. Partikel yang mengandung energi Oh-My-God dan Amaterasu meledak melalui ruang antargalaksi dalam bentuk yang relatif tidak melengkung. Hanya peristiwa langit yang paling kuat yang dapat menghasilkannya.

“Benda-benda yang dianggap aktif, seperti supernova, tidak cukup energik untuk melakukan hal tersebut. Kita memerlukan energi dalam jumlah besar, dan medan magnet yang sangat tinggi untuk membatasi partikel saat ia berakselerasi,” kata Matthews.

Rahasia sinar kosmik berenergi ultra

Sinar kosmik berenergi tinggi harus melebihi 5 x 10¹⁹ Volt. Ini berarti bahwa sebuah partikel subatom membawa energi kinetik yang sama dengan energi kinetik yang dimiliki oleh fastball pemain lapangan utama, dan memiliki energi puluhan juta kali lebih banyak daripada yang dapat dicapai oleh akselerator partikel buatan manusia mana pun. Ahli astrofisika telah menghitung batas teoritis ini, yang dikenal sebagai batas Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK), sebagai jumlah energi maksimum yang dapat dibawa oleh proton saat melakukan perjalanan jarak jauh sebelum interaksi radiasi latar gelombang mikro menghilangkan energinya. Kandidat sumber yang diketahui, seperti inti galaksi aktif atau lubang hitam dengan piringan akresi yang memancarkan pancaran partikel, cenderung berjarak lebih dari 160 juta tahun cahaya dari Bumi. Partikel baru berukuran 2,4×10²⁰ Satu volt dan satu partikel, astaga, 3,2 x 10²⁰ Volt dengan mudah melebihi batasnya.

Para peneliti juga menganalisis komposisi sinar kosmik untuk mencari petunjuk asal usulnya. Partikel yang lebih berat, seperti inti besi, lebih berat, mempunyai muatan lebih besar, dan lebih cenderung melengkung dalam medan magnet dibandingkan partikel lebih ringan yang terbuat dari proton hidrogen. Jagung. Partikel baru tersebut kemungkinan besar adalah proton. Fisika partikel menyatakan bahwa sinar kosmik dengan energi melebihi batas GZK begitu kuat sehingga latar belakang gelombang mikro tidak dapat mendistorsi jalurnya, namun menelusuri titik-titik jalurnya ke ruang kosong.

“Medan magnet mungkin lebih kuat dari yang kita duga, namun hal ini tidak konsisten dengan pengamatan lain yang menunjukkan bahwa medan magnet tidak cukup kuat untuk menghasilkan kelengkungan yang signifikan pada energi 10 hingga 20 MeV,” kata Bales. “Ini benar-benar misteri.”

Perluas pencarian dan susunan teleskop

itu Susunan teleskop Ia diposisikan secara unik untuk mendeteksi sinar kosmik berenergi sangat tinggi. Letaknya di ketinggian sekitar 1.200 meter (4.000 kaki), titik ketinggian ideal yang memungkinkan partikel sekunder berkembang secara maksimal, tetapi sebelum mulai membusuk. Lokasinya di gurun barat Utah memberikan kondisi cuaca ideal dalam dua cara: udara kering sangat penting karena kelembapan akan menyerap sinar ultraviolet yang diperlukan untuk deteksi; Langit gelap diperlukan, karena polusi cahaya akan menimbulkan banyak kebisingan dan menghalangi sinar kosmik.

Para ahli astrofisika masih dibuat bingung dengan fenomena misterius ini. Susunan teleskop sedang dalam proses perluasan yang mereka harap akan membantu menyelesaikan masalah ini. Setelah selesai, 500 detektor gemerlap baru akan memperluas susunan teleskop dan mengambil sampel hujan partikel yang dihasilkan oleh sinar kosmik sepanjang 2.900 kilometer.² (1100 mil² ), sebuah wilayah seukuran negara bagian Rhode Island. Mudah-mudahan jejak yang lebih besar ini akan menangkap lebih banyak peristiwa yang akan menjelaskan apa yang sedang terjadi.

Untuk informasi lebih lanjut tentang penemuan ini:

Referensi: “Sinar kosmik yang sangat energik terdeteksi oleh rangkaian detektor permukaan” 23 November 2023, Sains.
doi: 10.1126/science.abo5095